Часть 4. Возобновляемые источники энергии. Местные

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Российская академия сельскохозяйственных наук
Государственное научное учреждение
Всероссийский научно-исследовательский институт
электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)
Московский государственный агроинженерный университет
им. В.П. Горячкина (МГАУ)
Государственное научное учреждение
Всероссийский научно-исследовательский институт
механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ)
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ
И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Посвящается 140-летию со дня рождения выдающегося
ученого-энергетика, основоположника электрификации России,
председателя Комиссии ГОЭЛРО,
академика АН СССР Г.М. КРЖИЖАНОВСКОГО
ТРУДЫ
8-й Международной научно-технической
конференции
(16 - 17 мая 2012 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ)
Часть 4
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.
МЕСТНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ.
ЭКОЛОГИЯ
Москва 2012
1
УДК 621.383+621.548+662.63+631.95
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В
СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ. Труды 8-й Международной научно-технической конференции (16 – 17 мая 2012 года, г. Москва,
ГНУ ВИЭСХ). В 5-ти частях. Часть 4. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. МЕСТНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ.
ЭКОЛОГИЯ. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. – 284 с.
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
Д.С. Стребков, академик Россельхозакадемии,
доктор техн. наук
В.М. Евдокимов, доктор физ.-мат. наук
Н.Ф. Молоснов, канд. техн. наук
Л.Д. Сагинов, канд. физ.-мат. наук
А.Н. Васильев, доктор техн. наук
Научный редактор, ответственный за выпуск:
канд. техн. наук, Заслуженный энергетик России
Н.Ф. Молоснов
ISВN 978-5-903413-22-5
Проводится при финансовой поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Грант № 12-08-06014-г
© Государственное научное учреждение
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации
сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии), 2012
2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ
ЭНЕРГИИ
Академик Россельхозакадемии Д.С. Стребков,
канд. техн. наук Е.Д. Сорокодум
(ГНУ ВИЭСХ)
На нашей планете развивается глобальный энергетический
кризис. Существующие источники энергии не могут обеспечить растущую потребность в энергии и имеют ряд серьезных недостатков.
Надо искать принципиально новые пути решения энергетических проблем. Таким выходом из могут стать новые источники
энергии, которые должны отвечать следующим требованиям: энергия должна экстрагироваться из окружающей среды в любой точке
планеты (в том числе рядом с потребителем); находиться в неограниченном количестве; иметь низкую стоимость преобразования в
другие виды энергии; не использовать химическое, ядерное и ископаемое топливо; быть автономными, экологически чистыми и возобновляемыми; не зависеть от погодных условий и времени года;
не требовать длинные магистрали для передачи энергии; быть как
центральными, так и локальными источниками энергии: мощностью
одной электростанции от сотен ватт до гегаватт.
Таким требованиям не отвечает ни один из существующих
источников энергии. Для решения проблемы обеспечения энергией
планеты необходимо решить две задачи:
- найти источник энергии, который отвечал бы вышеперечисленным требованиям;
- найти способы преобразования и использования энергии
этих источников и передачи ее потребителю.
3
1. Выбор источника энергии
Высокопотенциальные источники энергии не отвечают вышеперечисленным требованиям к новому типу источника энергии,
потому что используют топливо, зависят от погодных условий и
имеют много других недостатков.
Отвечают вышеперечисленным требованиям к новому типу
источника энергии низкопотенциальные источники энергии и те
законсервированные источники энергии, при извлечении энергии
которых не происходят процессы сжигания. Но надо иметь в виду,
что есть низкопотенциальные источники, которые безопасны и есть,
которые могут быть очень опасными.
Низкопотенциальные источники энергии на основе использования низкопотенциальной тепловой энергии и энергии давления
окружающей среды наиболее подходят для решения поставленной
задачи. Они не требуют сжигания топлива, находятся в окружающей
среде вокруг нас, в т.ч. рядом с потребителем. Их запасы энергии
огромны и возобновляются энергией Солнца.
2. Способы преобразования низкопотенциальной энергии
окружающей среды [2-13]
Несмотря на то, что низкопотенциальная энергия существует
везде и запасы ее практически огромные, возникает большая проблема ее использования. Тепло от холодного тела не переходит к
горячему согласно второму закону термодинамики. При механическом взаимодействии внешняя среда не передает энергию потребителю, если его потенциал (например, давление) будет такой же, какой имеет внешняя среда.
Получение энергии из низкопотенциальных источников теоретически очень слабо изучено. Обобщая немногие научные результаты, можно предложить несколько способов преобразования и использования низкопотенциальной энергии окружающей среды.
2.1. Селективная экстракция высокопотенциальной
энергии из низкопотенциальной среды
Энергия многих сред является суммой энергии большого
числа локальных областей (например, для тепловой энергии это механическое движение атомов и микрочастиц рассматриваемой области этой среды). Уровень энергии для этих сред определяется как
некий среднестатистический. Среднестатистический уровень может
быть низкопотенциальным по отношению к уровню потребителя. Но
4
в этой же среде есть области, имеющие уровень энергии выше, чем
имеет потребитель. Если тем или иным способом производить селекцию высокопотенциальных локальных областей и передавать их
энергию потребителю, то можно получить энергию с потенциалом
выше, чем имеет потребитель. Тогда эту энергию можно будет передать потребителю.
Например, известно, что температура является мерой некоторой средней скорости движения молекул. При этом есть молекулы
с более низкой и более высокой скоростью движения. Если каким-то
образом собрать молекулы с высокой скоростью в определенной
области, то в ней получим высокую температуру. В оставшейся области останутся молекулы с малой скоростью, т.е. эта область будет
иметь низкую температуру. В итоге закон сохранения энергии не
нарушается. Этот гипотетический эффект известен давно, как «демон Максвелла» (рис. 1).
Рис. 1. Способы получения энергии из окружающей среды
2.2. Источник энергии типа усилитель энергии
Самопроизвольная передача энергии возможна, когда потенциал этой энергии выше, чем имеет потребитель. В случае низкопотенциального источника энергии (окружающей среды) это невозможно, т. к. это будет противоречить известным законам для всех
видов энергии. Например в соответствии со вторым законом термо-
5
динамики, холодное тело не может передать свою тепловую энергию горячему телу.
Передача низкопотенциальной энергии Ee потребителю
возможна при выполнении следующих общих условий:
А. Используются (находятся) способы изменить физические
свойства или создать специальные формы движения в рабочем теле,
которые приведут к тому, что в рабочем теле появиться область с
потенциалом ниже (сверхнизкий потенциал), чем имеет окружающая низкопотенциальная среда и область с потенциалом выше, чем
имеет потребитель.
В. Используются (находятся) способы изменить физические
свойства или создать специальные формы движения в рабочем теле,
которые приведут к тому, что будет возможно:
- экстрагировать энергию из низкопотенциальной среды в
рабочее тело;
- потенциал этой энергии поднимать от сверхнизкого до высокопотенцильного;
- передавать эту энергию потребителю.
С. К рабочему телу поступают свежие порции окружающей
низкопотенцильной среды (или возможен непрерывный приток новых порций энергии извне).
При всех этих изменениях свойств, форм движения и переносе энергии закон сохранения энергии, естественно, остается в силе.
Для организации экстракции низкопотенциальной энергии
необходимо создать специальный физический процесс, в котором
должны выполняться вышеприведенные условия. Для организации и
поддержания этого процесса необходимо выделить энергию Ed :
- для создания в рабочем теле области со сверхнизким потенциалом;
- для создания в рабочем теле области с высоким потенциалом;
- для экстракции энергии в рабочее тело из внешней среды;
- для подъема потенциала рабочего тела со сверхнизкого
уровня до высокого;
- для передачи экстрагированной энергии потребителю;
- для подачи к рабочему телу свежих порций внешней среды
(притока новых порций энергии извне);
6
- для управления этим процессом.
Потребитель получает энергию Ec , из которой необходимо
вычесть энергию, идущую от потребителя на организацию физического процесса по экстракции энергии Ed . Таким образом, чистая
энергия, полученная потребителем, будет Ec − Ed . Отношение полученной потребителем чистой энергии Ec − Ed к энергии, затраченной на организацию физического процесса Ed , будем называть
коэффициентом усиления энергии k
k=
Ec − Ed
.
Ed
(1)
Отношение полученной потребителем чистой энергии
Ec − Ed к экстрагированной низкопотенциальной энергии Ee будет
являться коэффициентом полезного действия η этого преобразователя в качестве источника энергии
η=
Ec − Ed
.
Ee
(2)
Для потребителя целесообразно (за исключением особых
случаев), чтобы коэффициент усиления энергии был больше 1. В
этом случае потребитель будет получать энергии больше, чем он
потратил на организацию физического процесса по экстракции низкопотенциальной энергии из окружающей среды. Если коэффициент
усиления энергии таков, что чистой энергии достаточно Ec − Ed для
удовлетворения потребностей потребителя, то в этом случае система
становится в части расхода энергии на поддержание и управление
физическим процессом самодостаточной, т.е. такой источник энергии не потребляет для своей работы энергию от постороннего источника и становится автономным.
Энергия может совершать работу, если она будет передаваться при своем движении.
E = P⋅x,
(3)
где P - обобщенная сила; x - обобщенное смещение.
Для усилителя энергии экстрагированная энергия с помощью
преобразования ее характеристик энергии преобразуется в энергию с
потенциалом выше, чем имеет потребитель (рис. 2).
7
Рис. 2. Схема переноса энергии из низкопотенциальной области
к высокопотенциальной
Общими принципами переноса энергии от низкопотенциальной среды к высокопотенциальной для этого способа являются:
Экстракция энергии. Создание области (потенциальной
ямы) с потенциалом P1 ниже, чем имеет окружающая среда P0
(рис. 2). Для перехода энергии от окружающей среды. Потенциал
соответствующей энергии (температуры, давления, уровня электромагнитного поля или др.) должен быть ниже, чем в окружающей
низкопотенциальной среде.
Трансформация характеристик энергии. Потенциал экстрагированной энергии станет еще более низким по отношению к потенциалу потребителя, чем имела сама окружающая среда. Поэтому
обычным путем экстрагированная энергия не может быть передана
потребителю. Поэтому физические характеристики экстрагированной энергии должны быть преобразованы от низкого P1 до высокого
P2 уровня, выше уровня, чем имеет потребитель P3 (см. рис. 2).
Трансформация характеристик энергии может происходить как
внутри одного вида энергии, так и при преобразовании в другой вид
энергии.
На выходе трансформатора энергия должна иметь выше той,
которую имеет потребитель. При разработке механизма трансформации характеристик энергии должен соблюдаться закон сохранения энергии.
8
Передача энергии потребителю. Полученная энергия высокопотенциального уровня с помощью передающего преобразователя
передается потребителю (рис. 2). Эта задача хорошо решена в известных высокопотенциальных источниках энергии.
Описанные выше общие принципы экстракции низкопотенциальной энергии окружающей среды являются универсальными и
пригодны для любого вида энергии (тепловой, давления атмосферы,
гравитационной, электромагнитной и других малоизвестных или
еще не известных физических полей и энергий).
Фактически в настоящее время используются уже десятки
миллионов преобразователей низкопотенциальной энергии. Это тепловые насосы, экстрагирующие низкопотенциальную тепловую
энергию окружающей среды и обогревающие жилые и промышленные помещения. Для их работы требуется электроэнергия от существующих электросетей, благодаря которой в тепловом насосе создается физический процесс, позволяющий экстрагировать тепловую
энергию в несколько раз больше, чем потребитель берет от электросети. В этом заключается экономическая выгода для потребителя. К
сожалению, тепловые насосы не автономны и коэффициент преобразования энергии составляет 2-4. Успех тепловых насосов показывает, что путь преобразования низкопотенциальной энергии реален.
2.3. Источник энергии типа имплозия
Третий способ является видоизменением второго. Третий
способ также заключается в том, что тем или иным способом создается область, в которой потенциал ниже потенциала низкопотенциальной окружающей среды. Произойдет перенос энергии не от преобразователя (эксплозия), а к преобразователю извне (имплозия).
Такой процесс по определению западных ученых называется имплозия. Экстрагированная таким образом энергия имеет очень низкий
потенциал по сравнению с потенциалом потребителя аналогичной
энергии. Поэтому эта энергия не может быть принята потребителем.
Но потребителю не обязательно получить энергию именно того вида, которая была экстрагирована. Потребителю необходима энергия,
которая может совершить для него работу. Работа может совершиться, если на пути переноса энергии будет помещен преобразователь (двигатель), который преобразует часть экстрагированной энергии в работу. Например, перепад температур может обеспечить работу двигателя, на выходе которого будет механическая энергия
вращения вала, а далее электрическая энергия с генератора, соеди-
9
ненным с этим валом. Потребитель получает механическую или
электрическую энергию вместо тепловой. При необходимости эту
энергию можно преобразовать в тепловую. В этом способе тепловую
энергию потребитель напрямую получить не сможет. Это не является недостатком. В обычных тепловых двигателях кпд меньше единицы в связи с потерями тепловой энергии на пути переноса от горячего к холодному телу и в трущихся частях. В двигателях типа
имплозия тепловые потери не могут происходить в принципе, потому что температура окружающей среды будет выше температуры
рабочего тела двигателя. Поэтому двигатели типа имплозия при
прочих равных условиях должны иметь кпд выше, чем обычные тепловые двигатели. Процесс имплозия является первым звеном усилителя энергии. Преимущества способа имплозия:
- на физический процесс затрачиваться меньше энергии;
- снижаются потери экстрагированной энергии при преобразовании энергии в работу у потребителя;
- более простая конструкция.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия,
ресурсы, технологии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005.
Сорокодум Е.Д. Утилизация энергии окружающей среды посредством
вихря. // Возобновляемые источники энергии. IWRFRI'2001 (28-30 мая
2001 г.). Санкт- Петербург, 2001, с.105-106.
Родионов Б.Н., Сорокодум Е.Д. Вихревая энергетика // Строительные
материалы, оборудование, технологии ХХ века. - 2001, 3(26), с.28,29.
Sorokodoum E. Vortex heat-generators // New Energy Technologies. Issue #
2(5), March-Aprel 2002, p.17-18.
Sorokodoum E. Vortex heat-generators // New Energy Technologies. Issue #
2(5), March-Aprel 2002, p.324-325.
Сорокодум Е.Д. Вихревой источник энергии // Материалы Международной научно-социальной Конференции "Перспективы сохранения и
развития единой цивилизации планеты" (Москва, 26 – 31 мая 2002 г.).
Sorokodum E. The Vortical Oscillatory Converter of Energy. 2nd International Workshop on Natural Energies (IWONE 2003). 8.8-10.8.2003,
Malmo, Sweden.
Сорокодум Е.Д. Некоторые общие свойства материи и источников
энергии. // Новая Энергетика. №2, 2003, с. 29-34.
Сорокодум Е.Д. Некоторые общие свойства материи // Симпозиум
"Машина времени" (Москва, 28 апреля 2003 г.).
10
10. Сорокодум Е.Д. Низкопотенциальная энергия окружающей среды, спасение для человечества. // Международная конференция "Наука и
будущее: идеи, которые изменят мир". М., 2004.
11. Sorokodum E. Extraction of Low-Potential Energy from Environment. The
Solution to Energy and Ecological Problems. // "World Affairs", Spring
2006 vol. 10, No 1, pp.166-183.
12. Sorokodum E. About the general principles extraction low potential energy
of an environment. (IWONE 2007). 2007 Malmo, Sweden.
13. Сорокодум Е.Д. Экстракция низкопотенциальной энергии окружающей
среды - решение энергетических проблем Человечества. // 4-й Международный форум «Энергетика и экология» (15-16 января 2008 г., Центральный дом предпринимателя, г. Москва). М., 2008.
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ
ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Канд. геогр. наук Л.К. Малик
(Институт географии РАН, г. Москва)
Осуществляемая в настоящее время программа экономического и социального развития России на ближайшие годы не может
быть выполнена без мощной энергетической базы, без опережающего развития энергетики и внедрения энергоэффективных энергосберегающих технологий, одним из направлений которых является перестройка структуры топливно-энергетического баланса страны в
направлении уменьшения доли ископаемого топлива и активного
использования альтернативных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Кроме экономии органического топлива, развитие нетрадиционной энергетики позволяет снизить объёмы его перевозок и
затраты на транспортировку.
Перераспределение составляющих энергобалансов многих
регионов за счёт роста использования ВИЭ является не только важнейшим направлением энергосберегающей политики, но играет значительную роль в снижении неблагоприятного воздействия традиционной энергетики и в стратегии предотвращения изменения климата, т. к. получение энергии и тепла с помощью ВИЭ сопровождается минимальными, по сравнению с традиционными установками,
выбросами в атмосферу парниковых газов.
Наиболее остро вопрос о расширении использования ВИЭ
стоит сейчас в России, потому что больше 70% её территории с на-
11
селением около 20 млн. человек находится в зоне децентрализованного электроснабжения (Крайний Север, Дальний Восток и др.). Нерешаемая вовремя проблема завоза нефтепродуктов в северные и
другие труднодоступные районы вызывает необходимость аварийной эвакуации населения из таких с трудом освоенных регионов. Но
в этих регионах большие ресурсы ВИЭ, в том числе – энергия ветра,
малых рек, Солнца, тепла Земли, биомассы. По разным оценкам,
здесь может быть обеспечено с помощью ВИЭ от 25 до 50% энергопотребления. Это также способствует очистке северных территорий
от скопления тары для топлива (бочек, контейнеров и т. д.).
Экономический потенциал использования ВИЭ равен 270
млн. т условного топлива в год.
Использование ВИЭ решает проблему снабжения электроэнергией большого числа мелких территориально разобщённых потребителей. Одновременно использование возобновляемых источников энергии позволяет учесть межотраслевые региональные интересы, включая экологию и конкретные планы экономического и социального развития отдельных территорий. Социальная роль ВИЭ
заключается также в выравнивании обеспеченности энергией районов с разной плотностью населения, в том числе центральных
сильно заселённых и труднодоступных малонаселённых территорий,
что приводит к глубокой перестройке стиля энергопотребления и
жизни.
В современных условиях, характеризующихся инвестиционным голодом, ВИЭ могут вводиться в эксплуатацию в виде небольших модулей, не требующих больших капиталовложений, а затем
наращиваться по мере необходимости. Многие установки ВИЭ могут работать в автономном режиме и не требуют большого числа
обслуживающего персонала.
Немаловажным обстоятельством, способствующим обращению к объектам ВИЭ, является отрицательное отношение в обществе к ГЭС, АЭС, ТЭС.
Наконец, чрезвычайно важное в современных условиях обстоятельство – ВИЭ, обеспечивая децентрализованную от энергосистем форму электроснабжения, способствует повышению безопасности снабжения населения электричеством и теплом в случае
непредвиденного или преднамеренного отключения крупных энергосистем (теракты и т.д.).
12
Анализ эксплуатации ВИЭ в различных странах показывает,
что эти источники не всегда являются безупречными в экологическом отношении.
Рассмотрим на примере наиболее используемых установок
ВИЭ возникающие при их эксплуатации проблемы.
Ветроустановки. Давно установлено, что ВЭУ вызывают
интенсивное акустическое излучение. Есть свидетельства о том, что
ветроустановка мощностью 2 МВт в США (штат Северная Каролина) с лопастью пропеллера 60 м отключается ночью из-за сильного
шума. Особую экологическую проблему представляют собой шумовые воздействия ветроустановок мощностью более 250 кВт, т. к.
скорость на конце лопаток ветроколёс большого диаметра у таких
установок соизмерима со сверхзвуковой скоростью. При этом возникает инфразвук, отрицательно воздействующий на живые существа, в том числе и на человека. Замечено влияние работающих станций на приём теле- и радиопередач. Отмечаются помехи для воздушного сообщения, изменяются показания навигационных приборов. ВЭУ травмируют и отпугивают птиц, особенно на перелётных
трассах, при создании комплекса ВЭУ ухудшаются условия существования мелких наземных животных, птиц, насекомых, а также морской фауны при размещении ветроэлектростанций (ВЭС) на акваториях.
При воздействии ВЭС, объединяющих большое количество
ветроустановок, ослабевает сила воздушных потоков, что может
привести к нарушению теплового баланса и сказаться на климате, а
также отразиться на проветривании расположенных недалеко промышленных районов. И, наконец, ветроустановки нуждаются в
больших площадях и при этом могут оказать влияние на изменение
свойств почвенного покрова.
Исследователи последствий создания ВЭУ не исключают
также аварийных ситуаций – поломку агрегатов и отлёт повреждённых деталей. У крупных ВЭУ лопасти могут быть отброшены на
400-800 м. в Дании на 2000 ВЭУ приходится 630 вынужденных остановок в квартал и 20 случаев разрушения отдельных элементов.
И, наконец, нужно вспомнить о большом количестве металла
для производства оборудования ВЭУ. Замена металлических конструкций стеклопластиковыми требует изучения экологических последствий химических технологий по производству стеклопластика.
13
Неравномерность выработки энергии ВЭУ можно компенсировать совмещением их с работой других энергообъектов, т. е. сооружением ВЭУ в составе энергокомплексов. Так ВЭУ, работающие
параллельно гидростанциям и в комплексе с ними, могут снизить в
определённое время выработку энергии от ГЭС и сработку уровней
воды в водохранилище. Отрицательные последствия ВЭУ снижаются при расположении их на акваториях морей.
Солнечные электростанции (СЭС). Наряду с большими
преимуществами использования энергии Солнца – её «бесплатностью», возобновимостью и огромными ресурсами, есть целый ряд
технических, экологических и экономических факторов, затрудняющих её широкое применение для выработки электроэнергии.
Технические трудности – низкая плотность солнечной радиации у
земной поверхности (в наиболее благоприятных районах 1 кВт/кв. м),
нерегулируемый режим поступления к поверхности Земли потока
солнечного излучения в связи с вращением Земли и облачностью,
очень низкий КПД преобразования солнечной энергии в тепловую и
т.д. Периодичность, зависимость от состояния атмосферы, неравномерность притока солнечной радиации в течение суток и года требует создания аккумулирующих или дублирующих систем. СЭС занимают большие площади, они «землеёмки». Для получения с помощью СЭС энергии, равной энергии от ТЭС и ГЭС, принимающие
устройства, особенно у крупных СЭС, должны покрыть значительные площади, что приведёт неизбежно к снижению температуры
поверхности почвы и воздуха, а при массовом строительстве СЭС
может вызвать нарушение теплового баланса, изменить направление
ветра, характер почв и растительности обширных регионов. Кроме
того, изготовление гелиоэнергетического оборудования требует, помимо кремния, многих дорогостоящих материалов и электроэнергии, получение которых в свою очередь может быть связано с неблагоприятными воздействиями на окружающую среду.
Выводы
1. Развитие ВИЭ способствует осуществлению стратегии устойчивого развития экономики и является важным условием обеспечения энергетической безопасности страны. Они повышают степень
автономности систем жизнеобеспечения населения, что особенно
важно для регионов, лишённых централизованного электроснабжения. Остро необходимы также исследования по использованию ВИЭ
14
в экстремальных по климатическим условиям районах (для электроснабжения антарктических и северных полярных станций).
2. Изучение многих опубликованных и ведомственных материалов свидетельствует о том, что ВИЭ без сомнения имеют большие экологические преимущества перед выработкой электроэнергии
на традиционных энергоустановках (ТЭС, АЭС, ГЭС). Однако,
имеющие место неблагоприятные экологические последствия их
создания свидетельствуют о необходимости нахождения наиболее
приемлемых технических решений и совершенствования прогнозов.
3. Осуществление крупной национальной программы развития нетрадиционной энергетики требует принятия Федерального
Закона и сопутствующих ему нормативно-правовых подзаконных
актов по ВИЭ, предусматривающих комплекс мер по финансированию этого направления энергетики и научно-техническому содействию со стороны государства.
4. Существующие законодательства в области экономики и
энергетики поощряют развитие традиционных, функционирующих в
настоящее время систем и по существу не способствуют внедрению
ВИЭ. Лоббирование в верхних эшелонах власти интересов монополий, разрабатывающих и использующих ископаемые и ядерные
энергоносители, является серьёзным препятствием внедрения ВИЭ.
Сказывается также инертность ряда ведомств и привычка к устоявшимся способам добычи и использования энергии, в которые уже
вложены громадные средства.
5. Нетрадиционные энергоустановки чрезвычайно науко-,
материало- и капиталоёмки. Большие затраты на сооружение и длительный инвестиционный цикл делают их с одной стороны непривлекательными для вложения капитала. В то же время, ввиду модульного характера энергетических систем и возможности их поэтапного внедрения, уменьшаются инвестиционные затраты и риски.
6. Наряду с общим законом о ВИЭ целесообразно принятие
конкретного плана действий, основанного на изучении перспектив,
возможностей и особенностей создания нетрадиционных энергоустановок в различных регионах России.
7. Совершенствованию государственной политики в области
развития ВИЭ должны содействовать научно-исследовательские и
проектные работы, создание высокотехнологичных проектов, обеспечивающих решение энергетических, экологических и социальноэкономических задач.
15
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ
ВОД ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ТЕПЛИЦ
ТУРКМЕНИСТАНА
Д-р сель.-хоз. наук А.М. Пенджиев, Д.А. Пенжиева
(Туркменский политехнический институт, г. Ашхабад)
Актуальность проблемы. Выступая на выездном заседании
Кабинета Министров 12. 06. 2009 г. Президент Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедов отметил: « К приоритетным направлениям, на развитие которых надо сконцентрироваться в первую очередь,
относятся: электроэнергетика, вопросы изучения и широкое использование альтернативных источников энергии (солнца, ветра, геотермальных вод, биогаза и др.); выведение новых сортов сельскохозяйственных культур, научные основы повышения урожайности, повсеместная организация тепличных хозяйств» [1].
Тепличные хозяйства – самые энергоемкие сельскохозяйственные сооружения, поэтому целесообразность обогрева их
геотермальными водами очевидна.
Источники тепла, системы теплоснабжения теплиц.
Экономическая эффективность производства овощей и тропических
и субтропических растений в сооружениях защищенного грунта во
многом зависит от выбранного источника тепла и системы отопления. Известно, что затраты и обогрев зимних теплиц достигают 3040% всех эксплуатационных расходов по выращиванию тепличных
продуктов. При этом основой составляющей их является оплата тепловой энергии.
Наиболее дешевые источники тепла – природный газ, тепловые отходы промышленных предприятий и геотермальные воды.
Самым эффективным источником тепла следует признать природный газ, использования которого позволяет применять наиболее дешевые системы отопления – газовые калориферы с прямым сжигания газа в теплице, легко поддающиеся автоматизации простейшими
техническим средствами. Но при этом расходуется большое количество природного газа и выбросы в окружающую среду.
Вопрос об использовании тепловых отходов промышленности и геотермальных вод для обогрева сооружении защищенного
грунта решается после соответствующих технико-экономических
расчетов, конкретных условий определить экономическую целесо-
16
образность их применения. Тепловые отходы и геотермальные имеют различные температуру, химический состав, запас тепла, удаленных от места потребления и т.д. Чем ниже температура теплоносителя и чем дальше расположения источник тепла от тепличного хозяйства, тем меньше экономическая эффективность использования
его для обогрева сооружения защищенного грунта.
Основной системой отопления зимних остекленных теплиц
является водяная трубная система. Обогревательные приборы при
этой системе состоят из гладких трубы, прокладываемых внутри теплицы под кровлями (кровельный обогрев), вдоль цоколей продольных стен (цокольный обогрев), торцовых стен, в почве (почвенный
обогрев) и на поверхности почвы (надпочвенный обогрев).
Горячая вода подается в трубы специальными циркуляционными насосами, установленными в непосредственной близости от
источника горячей воды (котел, скважина геотермальной воды и
т.д.). Основной недостаток трубной водяной системы отопления –
большая ее металлоемкость. Для большого уменьшения расхода металла и стоимости строительства системы отопления следует использовать теплоноситель с высокой температурой. Как видно преимущество геотермальной энергии в ее практической неисчерпаемости занимает одно из важных мест в развитии тепличных хозяйств в Туркменистане [2].
Особенности геотермальных вод для теплоснабжения
теплиц. Месторождения термальных вод различаются дебитом,
температурой, минерализацией и кислотностью. Эти характеристики
и определяют специфику конструкций систем отопления и нагревательных приборов теплиц в сравнении с применением традиционных теплоносителей – горячей воды котельных или ТЭЦ, теплого
воздуха калориферов или огневых теплогенераторов. Особенности
термальных вод как теплоносителя – постоянная, как правило, низкая температура, одно кратность использования и необходимость
сброса.
Геотермальные воды можно условно подразделять на низко,
средне и высокопотенциальные с температурой соответственно до
50, 75 и 100 °С. В зависимости от содержания солей их относят к
пресным (до 1 г/л), минерализованным (1–4), сильно
минерализованным (4–10), полурассольным (10–50) и рассольным
(свыше 50 г/л). В зависимости от этого показателя воду можно
подавать непосредственно в типовую систему отопления теплиц или
17
применять теплообменники, а также осуществлять специальную
водоподготовку.
Особенности отопления теплиц определяются технологией
производства
овощей.
Создание
тепличных
комбинатов
промышленного типа привело к концентрации значительных
площадей защищенного грунта. Механизации технологических
процессов не должны мешать системы отопления и отопительные
приборы, которые к тому же должны не затенять культуру и
обеспечивать равномерное температурное поле в зоне растений.
Экономический эффект. Для расчета экономического
эффекта использования геотермальных вод при отоплении теплиц
необходимо учитывать, что капитальные вложения возрастают в
результате
бурения
скважин,
строительства
сборных
и
водоподающих сетей. Средняя стоимость скважины в 1984 году
было 126 тыс. долл. США, а для обеспечения теплом комбината
площадью 18 га необходимы 3–4 скважины, причем располагают их
для получения максимального дебита на некотором расстоянии друг
от друга. Следовательно, возрастает стоимость оборудования
«куста» скважин, становится очевидной ошибка при оценке
термальных вод как «дарового» тепла. Растут затраты на отопление
теплиц при понижении температуры воды, например, при 55–60 °С
стоимость типовой системы отопления увеличивается на 47 %.
Повышает общие капитальные затраты также строительство
сбросных и очистных сооружений.
Основной путь обеспечения высокой экономической
эффективности отопления теплиц термальными водами –
максимальное срабатывание теплового потенциала и полное
использование дебита скважин в течение года. Эти требования
выполняются созданием рациональной схемы отопления при
оптимальном
соотношении
различных
культивационных
сооружений с разными сроками ввода их в эксплуатацию и с
различными культуро-оборотами. Такой комплекс мероприятий дает
ожидаемый экономический эффект только при условии изучения
особенностей каждого геотермального месторождения.
Мировой опыт. Из опыта мировых стран использование геотермальных вод для обогрева парников и теплиц даёт высокий экономический эффект, так как отпадает необходимость в завозе топлива,
строительстве котельных, а затраты на эксплуатацию геотермальных
источников значительно меньше по сравнению с установками искус-
18
ственного нагрева воды. Стоимость тепловой энергии уменьшается в
5–7 раз по сравнению с применением традиционных видов топлива.
Так, например: Паратунский теплично-парниковый комбинат на термальных водах (близ г. Петропавловска-Камчатского) полезной площадью 60 тыс. м2 выпускает товарной продукции на сумму более 1,6
млн. долл. США. Годовая экономия условного топлива на комбинате
составляет 6500 т.
Для теплоснабжения овощеводства защищённого грунта
экономически целесообразно использовать те источники, мощность
которых не менее 2,9–3,5 кВт, а температура воды при выходе на
поверхность земли не ниже 40°С. При повышенной минерализации
воды (более 2 г/л) необходимо применять систему отопления с водоводяным теплообменником во избежание большого засорения и даже возможной закупорки труб солями, выпадающими из воды в
твёрдый осадок.
Геотермальные воды для теплоснабжения тепличных хозяйств в Туркменистане. В настоящее время у нас в стране рентабельными для эксплуатации считаются месторождения термальных
вод со следующими основными параметрами [3]: температура вод –
не менее 35–40°С; глубина залегания водоносных горизонтов – не
более 3000 м; расходы скважин – не менее 5 л/с (430 м3/сут.); минерализация вод – не более 35 г/л; водопроводимость пород водоносного комплекса – не менее 10– 20 м2/сут.
По тепловому потенциалу термальные воды подразделяются
на
низкопотенциальные
(температура
35–70°С),
среднепотенциальные (70–100°С) и высокопотенциальные (более 100°С),
эффективно используемые для теплоснабжения.
Поисково-разведочным бурением на нефть и газ минеральные и промышленные воды в ряде районов Туркменистана были
вскрыты термальные воды, отвечающие общим кондиционным требованиям. На территории Ахалского велаята (области) термоминеральные воды обнаружены в районах пос. Берзенги, Фирюза, Бахарлы , Геок-Тепе, Арчман.
По данным Я.А. Ходжакулиева, Х. Бабаева, В.Ф. Борзосекова сделаны расчеты на основе математической модели теплицы
траншейного типа и из вышеизложенных формул о возможности
экономия органического топлива при строительстве тепличных хозяйств с использованием геотермальных вод в Туркменистане [3–6].
19
В Ахалском велаяте пределах пос. Берзенги с глубины до
1600 м из карбонатных отложений верхней юры и неокома
получены
воды
с
температурой
33–41°С
на
изливе.
Производительность скважин – 13–30 л/с, минерализация вод
составляет 2,9–3,9 г/л. Концентрация сероводорода колеблется от 3
до 8 мг/л. Подсчитанные по промышленных категориям запасы
термоминеральных вод составляют 420 м3/сут. Скважины глубиной
до 2000 м могут вывести воды с температурой 50–60°С на изливе.
Бахарлинское месторождение термоминеральных вод
характеризуется самоизливающими с глубин 1000–2000 м водами с
температурой на устье скважин 35–49°С и дебитом 5–50 л/с.
Минерализация вод не превышает 5 г/л, концентрация сероводорода
составляет 50–55 мг/л. Бурением скважин глубиной до 3000 м
можно вскрыть термальные воды с температурой на устье до 70–
80°С, которые найдут широкое применение в теплоснабжении
тепличных хозяйств Бахарлинского этрапа.
Оценка термальных вод с целью создания тепличного
хозяйства может быта проведена на площади Куртли, скв. 1 (вблизи
Куртлинского озера), пробуренной лэ глубины 4500 м. Температура на
глубине 4200 м достигает 161°С. По данным опробования, с интервала
3501–3490 м получен приток пластовой воды с температурой 45–50°С
на изливе и дебитом до 2 л/с. Правда, минерализация вод (40–42
несколько превышает кондиционные требования.
В районе Дарвазы пластовая температура вод мезозойских
отложений достигает 90–100°С. По химическому составу это в основном хлоридные натриевые и кальциево-натриевые воды с минерализацией 12 – 157 г/л. Уровни опробованных водоносных горизонтов
устанавливаются ниже устья скважин, дебиты скважин незначительные (18–130 м 3 / сутки).
На Прикопетдагском склоне платформы (Казы) в отложениях нижнего мела (глубина 1500–2000 м) получены высокотермальные (70–79°С) рассолы хлоридно-кальциево-натриевого состава.
Уровни воды определены на глубинах 2–68 м от устья скважины;
дебиты скважин достигали 57–225 м 3 /сутки.
Однако, учитывая, что Куртлинская, Сарагытских площадь
расположена вблизи дайханских объединений Ахалского велаята,
они могут представлять практический интерес.
20
Наиболее перспективна для применения термальных вод
Марыйский велаят. Термальные воды вскрыты в основном в сенонпалеоценовом комплексе, залегающем на глубинах 770–2000 м. Они
обнаружены в структурах Гельчешме, Карабиль. Ташкепри, Кагазли
и других, расположенных в непосредственной близости от дайханских объедений Тахта-Базарского этрапа, что в свою очередь, повышает потенциальные возможности использования их в тепличных
хозяйствах. Это пластовые воды с температурой на устье
40–50°С, с дебитами 140–458 м3/сут и минерализацией до 10–15 г/л.
По наиболее рентабельному Карабильскому участку подсчитанные
прогнозные эксплуатационные запасы составляют 15 тыс. м3/сут, а
тепловые ресурсы – 91,2 Гкал/год.
По Байрам-Алийской группе структур температурные исследования доводились до глубины 3360 м в диапазоне температур
28–102°С, примем средняя геотермическая ступень равнялась 40,0
м/град.
В предгорьях Бенд-и-Туркестана (Кушкинская группа поднятий) слаботермальные (30–45°С) воды хлоридно-сульфатного натриевого и отчасти гидрокарбонатно-хлоридного натриевого составов вскрываются отложениях палеогена и верхнего мела. Минерализация вод в основном равна 7–15 г/л. Скважины большей частью
самоизливающиеся с дебитом 4,4–223 м3 /сутки. Наиболее водообильны водоносные горизонты сузакских слоев (64–223 м3 /сутки).
Из верхнемеловых отложений в отдельных скважинах были получены фонтаны термальных вод с дебитами до 1200–1300 м3 /сутки. Незначительная водообильность мезо-кайнозойских отложений, малые
гидростатические напоры, высокая минерализация делают экономически трудной задачу использования термальных вод Туркменистана. Очевидно, в некоторой степени могут быть использованы самоизливающиеся воды отдельных скважин со значительными дебитами (Байрам-Али, Серхетабат).
Геологическое строение Марыйского велаята в целом и характер распространения сенон-палеоценовых отложений указывают
на повсеместное развитие здесь кондиционных термальных вод.
В Лебапском велаяте области ннзкопотенциальные термальные воды вскрыты на многих разведочных площадях в палеоценовых и верхнемеловых отложениях. Температура на устье самоизливающихся скважин – 35–53°С, минерализация вод составляет 10–35
г/л, а дебиты скважин колеблются от 8 до 170 м3/сут.
21
На Карамет-Ниязской площади положительная тепловая
аномалия вызвана высокими теплопроводящими свойствами каменной соли, образующей здесь скрытую диапировую структуру. Аномалии Питняка и Керки-Тага объясняются гидрогеологическим фактором. Здесь происходит разгрузка напорных вод, выносящих некоторое количество тепловой энергии.
Термальные воды мезозойских отложений, вскрытые разведочными скважинами на Керкитагской площади, самоизливаются с
дебетами 0,7–80 м3 /сутки, иногда 150 м3 /сутки. Температура на
устье 20–45°С. Воды отличаются высокой минерализацией (100–540
г/л) и в основном хлоридным натриевым и кальциево-натриевым
составом. Из солевых отложений гаурдакской свиты получен мощный фонтан высокотермального (95°С на устье) хлоридного магниево-кальциевого рассола (540 г/л). Дебит фонтанирующей скважины
достигал 1000 м3 /сутки, но через двое суток фонтанирование прекратилось. По мнению многих исследователей, воды гаурдагской
свиты залегают в виде отдельных линз, заключенных в водоупорной
толще солей. Об этом же свидетельствует и уникальный химический
состав, приближающийся к составу остаточной рапы солеродных
бассейнов.
Наиболее перспективными для использования геотермального тепла можно считать Питнякскую, Ачакскую, Кирпичлинскую
площади. Но следует учитывать, что указанные районы отдалены от
сельскохозяйственных угодий и расположены непосредственно на
территориях газовых промыслов.
Геотермические условия Фарабской площади характеризуются ростом температур от 25 до 100°С (интервал глубин 100–2370
м), средней геотермической ступенью 30,3 м/град и ростом геотермической ступени с глубиной от 22,9 до 33,5 м/град.
В Балканском велаяте термальные воды, отвечающие кондиционным требованиям, вскрыты скважинами в пределах Западного Копетдага (Терсакан, Кара-Кала, Большого Балхана (Карачагыл)
и Западно-Туркменской низменности.
Практический интерес (использование термальных вод в теплицах плодоовощных хозяйств) могут представлять термальные воды,
полученные вблизи пос. Кара-Кала (ущ. Порхай) с глубины 192 м.
Это воды с минерализацией 1–1,2 г/л и температурой на изливе 31°С.
Указанная территория имеет перспективы вскрытия термальных вод с
температурой на устье 70–80°С на доступных бурению глубинах
22
(1500–2000 м). Повышению рентабельности применения термальных
вод в Туркменистане способствует комплексное использование их с
другими видами энергии, в частности солнечной.
В Дашогузском велаяте - в районе Дашогуза электрический
термокаротаж проводился в интервале 150–2170 м. Диапазон температур 25–100°С; средняя геотермическая ступень 26,0 м/град.
С глубиной геотермическая ступень увеличивается от 16,6 до
35 м/град. [2–5].
Используя составленную математическую модель для
теплица траншейного типа нами проведены расчеты по имеющим
выше приведенным результатам. Теплица траншейного типа имеет
следующие параметры: площадь F = 100 м2; площадь ограждающей
конструкции Fогр = 196 м2; коэффициент теплоотдачи остекленной
поверхности К= 5,5 ккал/м2 ч оС; коэффициент инфильтрации
принимается Кин=1,2; температура воздуха в теплице tвн =18оС;
температура наружного воздуха tнар берется по декадное из
климатического справочника; расход тепла на обогрев теплицы Qоб;
расход топлива на обогрев G; теплотворная способность в данном
примере взяли природный газ Qр=8722 ккал/м3 (36400 кДж/м3);
коэффициент
полезного
действия
отопительного
котла
ηкот=0,35÷0,45; коэффициент теплопередач отопительного прибора
для труб Ктр=8÷10 ккал/м2 ч оС; расход условного топлива В кг у.т. по
часам, по месяцам-720 ч, и отопительному сезону – 3 мес.;
температура теплоносителя tтн=82,5оС [5–7]. Из результатов
расчетов, видно чем температура выше, тем меньше расход металла.
Перспектива использования гидротермальных ресурсов для
отопления теплиц траншейного типа по расчетам на основе математической модели оцененным регионами характеризуется следующими цифрами для Атамыратской площади Лебапского велоята:
самоизливаются с дебетами 0,7–80 м3/сутки, иногда 150 м3/сутки.
Температура на устье 20–45°С. Воды отличаются высокой минерализацией (100–540 г/л) и в основном хлоридным натриевым и кальциево-натриевым составом. Из солевых отложений гаурдакской свиты получен мощный фонтан высокотермального (95° С на устье)
хлоридного магниево-кальциевого рассола (540 г/л). Дебит фонтанирующей скважины достигал 1000 м3 /сутки. Среднее декадная
температура наружного воздуха равна t нар. – 3,94°С, площадь
(труб) поверхность отопительной системы F пл. обогр. – 31,32173
м2, расход топлива на обогрев теплицы G – 5,956126 кг/час; тепловая
23
мощность отопительной системы Q – 18182,27ккал/час, Q за сезон –
39273696 ккал/сез., Q за месяц – 13091232 ккал/мес.; расход условного топлива эквивалентно, В по месяцам – 3,9 тыс. т у.т. мес., В за
сезон – 11,7 тыс. т у.т. температура геотермальной воды от 20 – 95°С
в зависимости от глубины 500 – 2000 м. Результаты по другим изученным велаятам и этрапам аналогично приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты расчета тепловой мощности (Q за час, месяц,
сезон), площадь поверхность отопительной системы (F), расход топлива на обогрев теплицы (G) за час.
Q за
Bт
G
Q
Q за
B т у.т.
F
тыс.
рассезон
у.т.
месяц
сез.
пл.
кка
Местность
тыс.
мес.
тыс.
обог ход,
л/ча ккал/сез ккал/ме р, м2 кг/ч
с
ас
с.
Ахалский велаят
Берзенги
19,5 42192,0 14064,0 33,6 6,3 4186,5 12559,7
Бахарлы
19,6 42409,3 14136,4 33,8 6,4 4208,1 12624,4
Сарагыт
17,4 37628,2 12542,7 30,0 5,7 3733,7 11201,1
Марыский велаят
Тахта-базар
18,1 39118,4 13039,4 31,1 5,9 3881,5 11644,7
Лебапский велаят
Атамырат
18,2 39273,6 13091,2 31,3 5,9 3896,9 11690,9
Фарап
22,7 43992,7 14664,2 35,0 6,6 4365,2 13095,7
Балканский велаят
Магтымгулы 18,1 36169,0 12056,3 28,8 5,4 3588,9 10766,7
Дашогузский велаят
Дашогуз
29,3 56442,3 18814,1 45,0 8,2 5600,5 16801,7
Выводы
В настоящее время недостаточен опыт эксплуатации
тепличных комбинатов промышленного типа с теплоносителем –
геотермальными
водами
в
Туркменистане.
Нет
научно
обоснованных и проверенных в производственных условиях
инженерных разработок узлов и оборудования всех звеньев системы
теплоснабжения. Применение же известных решений и серийно
выпускаемого оборудования в больших масштабах проблематично с
технической и экономической точек зрения. Для широкого освоения
термальных вод в овощеводстве защищенного грунта нужны
комплексные рекомендации, однако уже сейчас, до их разработки,
24
необходимо использовать этот источник тепловой энергии для
отопления теплиц.
Таким образом, было бы целесообразным планировать на
период 2011–2030 гг. поисково-разведочные работы на геотермальные воды целесообразно планировать в Ахалском
(Бахарлинском, Серахском этрапах, пос. Берзенги, районе
Куртлинского озера), Балканском (пос. Кара-Кала), Марыйском
(Тахта-Базарский, и другие этрапы), Лебапском (Фарап, Атамурат и
других этрапах), Дашогузском (Дашогуз, Конеургенчском и других
этрапах) велаятах.
Рекомендации
В зависимости от минерализации и температуры термальных
вод рекомендуются различные схемы теплоснабжения.
1. Подача термальных вод непосредственно в систему отопления теплиц. Вода может подаваться без подогрева и с аварийным
подогревом. Однако не всякую воду можно подогревать,
растворенные в ней соли при нагревании выпадают в осадок в виде
шлака и накипи. Подогрев, как правило, рекомендуется
осуществлять в пароводяных теплообменниках.
2.
Перспективна
система
отопления
теплиц
с
использованием теплового насоса, при этом источник тепла –
низкотемпературная термальная вода. Особый интерес представляет
использование холодильной машины в летнее время и не только с
целью снижения температуры воздуха в теплице, но и для
обеспечения оптимального режима в овощехранилищах и
холодильных камерах, являющихся необходимыми сооружениями
современных тепличных комбинатов.
3. Применение различных теплообменников, например,
центробежных контактных, рекуперативных аппаратов, пленочных
тепломассообменников, позволяющих утилизировать тепло воды
повышенной минерализации и агрессивности.
4. Комбинированная водовоздушная система отопления
теплиц подразделяется на две, наиболее полно удовлетворяющие
технико-экономическим требованиям: а – с использованиём только
термальных вод, которые первично подогреваются, затем поступают
в систему водяного отопления и калориферы воздушного обогрева;
после этого вода обратным током поступает в калориферы первого
подогрева и сбрасывается; б – основная часть тепловой нагрузки в
холодный период года рассчитана на термальные воды, пик
25
нагрузки – на обычную систему воздушного отопления. Для теплиц
с типовой системой водяного отопления и теплоносителем 70–95 °С
при использовании термальных вод 50–60 °С мощность
дополнительной системы воздушного отопления – 30–40 %
расчетной. Расход тепла воздушной системой за год не превышает
7 % общего расхода на отопление теплиц. Рассмотренный рис. 1
приемлем как для типовых систем отопления и нагревательных
приборов, так и для конструкций теплиц в Туркменистане.
Литература
1.
Berdimuhamedow
G.М.Türkmenistanyň
Prizidenti
Gurbanguly
Berdimuhamedowyň Мinistrler Кabinetiniň göçme mejlisinde sözlän sözi.Aşgabat, Türkmen döwlet neşirýat gullygy, 2009ý.
2 . Борзасеков В.Ф. Геотермические условия и термальные воды
Центральной и Восточной Туркмении.// Региональная геотермия и
распространение термальных вод в СССР. М.: Наука, 1967, с. 207-216.
3. Дядькин Ю.Д., Богуславский Э.И., 3айиблат А.Б. и др. Проблемы
освоения тепловой энергии недр Средней Азии и Казахстана. // В кн.:
Геотермические исследования в Средней Азии и Казахстане. Тез. докл.
Всесоюзн. совещания. Ашхабад, 1983.
4. Ходжакулиев Я.А., Бабаев X., Борзасеков В.Ф.. Перспективы
использования геотермальных вод Туркменистана для теплоснабжения
теплиц. // Известия Академии наук ТССР серия ФТХи геологических
наук, №3, 1984, с. 102-103.
5. Пенджиев
А.М.
Геотермальные
воды
Туркменистана.
//
Международный научно-теоретический журнал “Альтернативная энергетика и экология”. 2007, № 7, c. 67-72.
6. Пенджиев А. Математическое моделирование микроклимата в
солнечной теплице траншейного типа. // Альтернативная энергетика и
экология. 2010, №7, с.88-96.
7. Пенджиев А.М. Математическая модель теплотехнических расчётов
микроклимате траншейной солнечной теплицы. // Альтернативная
энергетика и экология. 2010, №8, с.74-79.
8. Пенджиев А.М. Математическая модель расчёта температурного режима листа в условиях солнечной теплицы. // Альтернативная
энергетика и экология. 2010, №10, с.70-74.
26
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ЛАБОРАТОРНОЙ БАЗЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
В МОСКОВСКИХ И ЛИТОВСКИХ ВУЗАХ
Канд. техн. наук И.И. Тюхов (МГУИЭ, ГНУ ВИЭСХ),
канд. техн. наук В.Б. Адомавичюс (КТУ, г. Каунас, Литва)
Введение
Интерес к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) в мире постоянно возрастает вслед за закономерным повышением цен на
мировом рынке на нефть, природный газ и другие ископаемые виды
топлива, а также в связи с повышением загрязнения окружающей
среды и с увеличением наносимого мировому хозяйству ущерба,
который связан с глобальной переменой климата. Направление на
развитие возобновляемой энергетики (ВЭ) поддерживают многие
страны мира и такие влиятельные международные организации, как
UNESCO, G-8, IRENA (www.irena.org), REN21, WREC, INFORSE,
IREO (www.ireoigo.org), REEEP (www.reeep.org), GVEP, GNESD,
WCRE (www.wcre.de) и другие. В этой связи все больше внимания
дисциплинам ВЭ уделяется в университетах, колледжах, средних и
даже в начальных школах многих стран мира.
Лабораторная база ВЭ в литовских вузах
Первые вузы, начавшие преподавать предметы ВЭ в Литве,
были университет Александраса Стульгинскиса (АСУ, бывший
сельскохозяйственный университет) и Каунасский технологический
университет (КТУ). В 1992 г. лекции по возобновляемым источникам энергии в АСУ начал читать доцент И. Шатейкис. В КТУ лекции по ВИЭ впервые начал читать доцент С. Китра в 1995 г. Первый
университетский центр в Прибалтийских странах в области ВЭ был
основан в КТУ 19 апреля 2000 года при факультете Инжинерии
электричества и управления. Основные цели центра в образовательной области – участие в процессе обучения студентов ВЭ по программам бакалавров, магистров и докторов наук. Первая учебноисследовательская лаборатория, отвечающая минимальным требованиям по технологиям ВЭ и топливным элементам, в центре была
создана в 2001-2003 г. В лаборатории центра проводятся лаборатор-
27
ные работы для бакалаврантов и магистрантов, свои научные исследования здесь выполняют магистранты и докторанты. Основные
стенды этой лаборатории показаны на рис. 1. Центр также внес свой
вклад в создании методической базы преподавания ВЭ в Литве [1-5].
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Рис. 1. Основные стенды лабораторных работ в центре ВЭ КТУ:
1) стенд электролизера и топливного элемента; 2) стенд топливного
элемента, работающего на метаноле; 3) стенд термоэлектрических
генераторов; 4) гибридная солнечно-ветровая микроэлектростанция;
5) стенд для испытания фотоэлектрических модулей; 6) стенд конверсии электроэнергии, получаемой от генераторов, использующих
энергию ВИЭ
За годы существования лаборатории центра технологии ВЭ в
мире сделали огромный шаг вперед как в качественном, так и в количественном отношении. Для того чтобы намного не отставать от
этого прогресса, возникла необходимость создать новые лаборатории. С участием центра на факультете Инженерии электричества и
28
управления КТУ создаются две новые лаборатории по технологиям
ВЭ. Одна из них – Лаборатория управления системами возобновляемой энергии, а другая – Лаборатория когенерационных микроэлектростанций на ВИЭ. Первая лаборатория будет оборудована известными и инновационными системами возобновляемой энергии с
автоматическим мониторингом экспериментальных данных, их обработкой, хранением и доступом к ним по интернету.
Лаборатория ВЭ кафедры Агроэнергетики факультета Сельскохозяйственной инженерии АСУ работает с 2001 г. В этой лаборатории в учебном процессе применяется действующая натуральная
модель биогазового генератора малой мощности, ветреная микроэлектростанция, солнечная микроэлектростанция и система солнечных коллекторов для нагрева воды. Лаборатория постепенно дополняется новыми стендами лабораторных работ.
Лабораторная база ВЭ в московских вузах
Работа по созданию стендов была начата на кафедре ЮНЕСКО МГАУ «Возобновляемая энергетика и электрификация сельского хозяйства» в 2004 г. в первую очередь для потребностей ряда
московских вузов: МГАУ, МЭИ, МГУИЭ, а также вузов Астрахани,
Челябинска, Екатеринбурга, студенты которых проходили практику
в ГНУ ВИЭСХ. Создание стендов позволило существенно повысить
эффективность практики, поскольку до этого практика проводилась
на оборудовании в полевых условиях и сильно зависела от погодных
условий [6-8]. Более ранняя история создания лабораторных стендов
по ВИЭ, начавшаяся в МЭИ, приводится в [7].
Эта работа по созданию лабораторной базы была поддержана Европейской сетью (под эгидой ЮНЕСКО) по развитию образования и подготовке специалистов в области ВЭ (EURONETRES), в
то время спонсируемой Венецианским отделением ЮНЕСКО по
науке (UNESCO-BRESCE). Кафедра ЮНЕСКО МГАУ организовала
проведение в ВИЭСХ двух международных встреч рабочих групп
EURONETRES в 2005 и 2008 гг.
С 2005 г. по инициативе Электроэнергетического факультета
МарГУ на кафедре Электроснабжения и технической диагностики в
МарГУ начала создаваться лаборатория-практикум по ВИЭ, а также
был подготовлен курс «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». Полный список разработанных за последние годы
29
лабораторных учебно-исследовательских стендов приводится [8] и
последующих публикациях.
В соответствии с новым образовательным стандартом начато
создание практикума на кафедре ЮНЕСКО «Техника экологически
чистого производства» в МГУИЭ для подготовки бакалавров по
профилю нетрадиционные и возобновляемые источники энергии.
Создана новая версия стенда, позволяющего изучать характеристики
(темновые и световые вольтамперные характеристик, зависимость
тока КЗ от напряжения ХХ и др.) отдельных солнечных элементов
(СЭ), определять их параметры и строить их эквивалентную электронную схему. Стенд также позволяет изучать характеристики параллельной сборки, последовательной сборки СЭ, влияние на них
неоднородного освещения, т. е. фактически принципов сборки СЭ в
модули, их характеристики и параметры (рис. 2, слева).
Рис. 2. Стенд в МГУИЭ для изучения фотоэлектричества (слева) ФЭМ
и антенна приемника космических изображений Земли на крыше
МГУИЭ (справа)
На крыше МГУИЭ установлены фотоэлектрический модуль
и антенна комического приемника «Космос-М2», который установлен на кафедре, что позволяет в режиме реального времени в реальных условиях Москвы исследовать приход солнечной энергии и
анализировать спутниковые изображения Земли (рис. 2, справа). Работа по созданию лабораторной базы получила международное признание [9-12].
Сотрудничество с целью улучшения процесса обучения
Значительный положительный импульс в пользу развития лабораторной и методической базы преподавания ВЭ в Литве дало участие КТУ в международном проекте EURONETRES, выполненного с
30
финансовой поддержкой UNESCO. В проекте, который координировал
ВИЭСХ, участвовали вузы России, Белоруссии, Германии, Греции,
Италии, Литвы, Сербии и других стран. Большое внимание к улучшению процесса обучения в вузах через многостороннее сотрудничество
уделено в программе Европейского Союза TEMPUS, в которой могут
участвовать вузы стран ЕС, а партнерами проектов могут быть вузы
соседних стран ЕС, включая Россию, западно-балканских стран и стран
Средней Азии. Сотрудничество в таких проектах позволяет вузам
уменьшить невыгодную фрагментацию в международном масштабе,
что открывает дополнительные возможности для ускоренного прогресса в процессе обучения, обогащения новыми знаниями, развития опыта
работы в международном коллективе.
Двухстороннее сотрудничество между вузами также может
быть полезным. В соответствии с договором о сотрудничестве между
Московским государственным университетом инженерной экологии
(МГУИЭ) и КТУ от 21 июня 2006 г., Центр возобновляемой энергетики
факультета Инженерии электричества и управления КТУ и кафедра
ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» МГУИЭ в
2011 г. разработали рабочую программу сотрудничества. В ней намечены пункты сотрудничества на период с 01.09.2011 по 01.01.2014 г. в
области укрепления лабораторной базы обеих сторон. Стороны обязались выполнить совместную разработку стендов для лабораторноисследовательских работ по ВЭ. В программе намечено изготовление
стендов по совместно выполненным проектам, подготовка совместных
методических пособий для выполнения лабораторных работ и совместные тестовые испытания стендов. В рабочей программе также включено сотрудничество и в области научной деятельности.
Выводы
1. Современная лабораторная база возобновляемой энергетики является необходимой частью в процесе подготовки высококвалифицированных специлистов всех уровней.
2. Двухстороннее сотрудничество вузов и научных учреждений по договорам, а также и многостороннее сотрудничество в международных проектах позволяет участвующие стороны обмениваться опытом, обогащает их новыми знаниями, уменьшает их невыгодную фрагментацию и открывает дополнительные возможности для
ускоренного прогресса в процессе обучения.
31
Литература
1.
Адомавичюс В., Бальчюнас П., Жданкус Н. Использования
возобновляемых источников энергии для обеспечения усадеб
электричеством (на лит. яз.). – Каунас: Технология, 2000. -176 с.
2. Адомавичюс В., Бальчюнас П. Источники возобновляемой и альтернативной энергии (на лит. яз.). – Kaunas: Technologija, 2003. -112 p.
3. Адомавичюс В., Бальчюнас П. Малые электростанции возобновляемой
энергии (на лит. яз.). – Каунас: Технология, 2003. -112 с.
4. Адомавичюс В., Бальчюнас П., Буйнявичюс К., Пуйда Э. Практикум по
возобновляемой и альтернативной энергетике (на лит. яз.). – Каунас:
Технология, 2003. - 80 p.
5. Китра С. Возобновляемые источники энергии (на лит. яз.). – Каунас:
Технология, 2006. - 301 с.
6. Tyukhov I. Development of renewable energy lab kits for teaching scientific
research skills The 4th Research and development conference of Central and
Eastern European institutes of agricultural engineering (CEE Ag Eng), Proceedings, Kiev, 20-24 June, 2007, p. 173-179.
7. Tyukhov I. Development of Lab Equipment for Teaching of Research Skills
on Renewable Energy research skills on renewable energy Journal of
Lithuanian Applied Sciences Academy, 2007, No 4, p.13-22
8. Тюхов И.И., Кузнецов К.В., Тихонов А.В., Симакин В.В. Учебноисследовательские стенды по возобновляемым источникам энергии –
инвестиции в будущее // Техника в сельском хозяйстве, №2, 2010,
с. 15-17, обложка: с. 2 и 4.
9. Tyukhov I. etc. Combined solar PV and Earth space monitoring technology
for educational and research purposes // Proceedings Solar 2008, American
Solar Energy Society Conf., San Diego, CA., CD edition, (2008).
10. Tyukhov I. etc. Concept of combined PV/T system based on concentrator
with vertical p-n junctions solar cells // Proceedings of 23rd European
Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 1 - 5 September,
2008, Spain, Valencia, 2008.
11. Tyukhov I., Tikhonov A., Simakin V., Poulek V., Libra M. Solar energy
education for sustainable future: practical projects // The proceeding 5th
International Workshop on Teaching in Photovoltaics, Czech Technical
University in Prague, Prague, 25 - 26 March 2010, pp. 98-103, ISBN 97880-01-04532-9.
12. Frank Vignola, Igor Tyukhov, Anton Tikhonov, Sadie Thorin, Stanley Miklavzina, Sam Daniels, Mike Toamina. Energizing the Next Generation with
Photovoltaics // 39th Annual National Solar Conference, Phoenix Convention Center, May 17-22, USA, 2010.
32
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Д-р техн. наук С.К. Шерьязов, Н.А. Чернов
(ЧГАА, г. Челябинск)
Дальнейшее развитие энергетики требует разработки ресурсо- и энергосберегающих технологии с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Из числа ВИЭ, наиболее перспективным по признаку доступности потребителю является солнечная энергия.
В мире накоплен достаточный опыт по использованию солнечных энергетических установок. В России, по разным причинам
ограничено число гелиоэнергетических установок. В частности недостаточно исследованы условия их эффективного использования
[1].
Для эффективного использования гелиоэнергетических установок необходимо знать режимы поступления возобновляемой энергии и условия функционирования энергоустановок в конкретных
климатических условиях. Для возобновляемого источника необходимо определить энергетические характеристики, на основе данных
наблюдений метеорологической службы.
Для конкретного месяца по данным измерений или косвенным методом рекомендуется определить дневную сумму солнечной
энергии. При этом необходимо учитывать суточный ход поступающей солнечной радиации, т.е. интенсивность (мощность) солнечного
излучения в отдельные часовые интервалы.
Интенсивность солнечного излучения позволяет решить ряд
технических задач. В частности, по интенсивности солнечного излучения можно оценить ожидаемое время работы гелиоэнергетической
установки внутри дня или задаваясь временем ее работы, согласно
технологическому процессу, можно определить сумму солнечной
энергии за данное время. При этом удобно воспользоваться средней
интенсивностью солнечного излучения за время работы ГЭУ, при
условии, если наблюдается непрерывное солнечное сияние.
Таким образом, возможность использования солнечной энергии определяется интенсивностью (мощностью) и продолжительностью поступающей солнечной радиации. Тогда в качестве энергетических характеристик солнечной энергии рассматриваются интен-
33
сивность солнечного излучения и продолжительность солнечного
сияния.
В виду случайного характера продолжительности солнечного сияния необходимо оценить ее вероятностные характеристики.
При этом вероятностные характеристики продолжительности солнечного сияния следует определить для каждого часового интервала
внутри дня и дневной суммы для каждого месяца.
В условиях Южного Урала, по многолетним данным, исследована дневная продолжительность солнечного сияния для каждого
месяца. Результаты исследования показали, что наиболее вероятные
часы солнечного сияния распределяются симметрично относительно
полудня [2].
В ходе исследования установлены осредненные значения интенсивности солнечного излучения hS при распределении продолжительности солнечного сияния (S) симметрично относительно полудня. Интенсивность солнечного излучения можно определить как
⎛
S ⎞
hS = h0 ⋅ bS ⋅ exp⎜⎜ − 0 ,25 ⎟⎟
S
⎝
0 ⎠,
где h0=1360 Вт/м2 - солнечная постоянная; So - возможная продолжительность солнечного сияния (долгота дня), ч; bS - коэффициент,
зависящий от времени года, приведен в табл. 1.
Таблица 1. Параметр уравнения интенсивности солнечной радиации
Параметр
bS
Месяц
1
2
3
4
5
6 7 8
9 10 11 12
0,3 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,3 0,2
Коэффициент bS показывает долю солнечной постоянной
приходящую на горизонтальную поверхность в полдень. Произведение коэффициента bS на солнечную постоянную позволит определить интенсивность солнечной радиации в полдень. Коэффициент bS
имеет ярко выраженный годовой ход и в летний период имеет наибольшее значение.
По средней интенсивности солнечного излучения, приведенной для соответствующей продолжительности солнечного сияния,
несложно определить солнечную радиацию за заданное время S:
НS = hS S.
34
Результаты моделирования поступающей солнечной энергии
сравнивались с опытными данными [2]. Они представлены в виде
зависимости солнечной радиации от продолжительности солнечного
сияния, для четырех месяцев (рис. 1). Приведенные данные показывают на достаточно хорошую сходимость расчетных данных.
H,
30
МДж/кв.м
VII
25
IV
20
15
X
10
I
5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
S,ч
16
- расчетная
Рис. 1. Зависимость суммарной солнечной радиации
от продолжительности солнечного сияния внутри дня
Таким образом, на практике, когда ГЭУ работает в режиме
аккумуляции вырабатываемой энергии, время ее работы можно допустить симметрично относительно полудня. Для объективной
оценки поступающей солнечной энергии необходимо знать вероятность появления продолжительности солнечного сияния, которая
характеризирует ее обеспеченность p(S). Вероятностная характеристика дневной продолжительности солнечного сияния определяется
для каждого месяца по данным наблюдений метеорологической
службы.
Литература
1.
2.
3.
Шерьязов С.К. Возобновляемые источники в системе энергоснабжения
сельскохозяйственных потребителей: Монография / С.К. Шерьязов. Челябинск: ЧГАУ, 2008. - 300 с.
Шерьязов С.К. Исследование системы комплексного энергоснабжения
с использованием возобновляемых источников / С.К. Шерьязов //
Вестн. КрасГАУ. – Красноярск: 2008. - Вып. 5. – С. 302 – 305.
Саплин Л.А. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с
использованием возобновляемых источников / Л.А. Саплин, С.К.
Шерьязов, О.С. Пташкина-Гирина, Ю.П. Ильин: Учебное пособие для
вузов с грифом УМО. – Челябинск: ЧГАУ, 2000. – 203 с.
35
ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ КАЗАХСТАНА
Т.Н. Байспаев
(ЮКГУ им. М.Ауезова, г. Шымкент, Казахстан)
Республика Казахстан, особенно южные регионы, обладают
весьма благоприятными условиями для развития солнечной энергетики, а также большой потребностью в ней для энергоснабжения
целого ряда городов, населенных пунктов и отдаленных поселков,
лежащих в пустынной зоне, на сегодняшний день не обладает в полной мере технической базой для развития отрасли.
Подсчитано, что небольшого процента солнечной энергии
вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем.
Более того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет,
на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак
не отразится.
Однако солнечная энергия падает на всю поверхность Земли,
нигде не достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить
на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить
в такую форму, которую можно использовать для промышленных,
бытовых и транспортных нужд. Кроме того, надо уметь запасать
солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и в пасмурные дни. Перечисленные трудности и затраты, необходимые для их преодоления, привели к мнению о непрактичности
этого энергоресурса, по крайней мере сегодня. Однако во многих
случаях проблема преувеличивается. Главное - использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий и
удорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все новые области применения.
Световое излучение можно улавливать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием
солнечной энергии. Кроме того, она обеспечивает круговорот воды,
циркуляцию воздуха и накопление органического вещества в биосфере. Значит, обращаясь к этим энергоресурсам, мы, по сути, занимаемся непрямым использованием солнечной энергии.
36
На рынке Казахстана имеется техника для солнечной энергетики как и для частного сектора, так и для небольших предприятий,
но все образцы техники являются импортными. Это сильно сказывается на ценах. К примеру, стоимость фотоэлектрических систем освещения составляет 1300$-1700$. Переносные станции подзарядки:
1000$-1300$. Автономные системы энергоснабжения: от 5000$ тысяч до 150 000$. При таком уровне цен на фотоэлектрические преобразователи данный вид электроэнергии доступен преимущественно
хорошо обеспеченной части населения, хотя все должно быть как
раз наоборот, и солнечная энергетика в первую очередь должна быть
доступной и дешевой.
В Казахстане есть все условия для развития солнечной энергетики как основного вида альтернативной энергетики. Только запасы кварцевого сырья составляют 267 млн. тонн. Есть промышленные месторождения и источники других минералов, в том числе
редкоземельных, необходимых для производства фотоэлементов галлия, мышьяка, кадмия, германия. На этой основе уже в течение
более чем 20 лет развиваются фототехнологии. Казахстанские арсенид-галиевые солнечные антенны использовались на советских космических спутниках. Их КПД составлял 24%, что делало их одними
из лучших в мире. Однако все эти передовые разработки использовались в военно-промышленном комплексе и оставались закрытыми
для остальной науки. Открытые же разработки не были связаны между собой, что тормозило их внедрение на практике.
Существуют различные технологии для преобразования и
использования солнечной энергии. Фотоэлементные и концентрационные станции применяются для производства электроэнергии в
промышленных масштабах, то пассивная солнечная энергетика, для
освещения и отопления помещений, нагрева воды, может широко
применятся в частном секторе.
Потенциал солнечной энергетики в Казахстане оценен в 2,5
млрд.кВтч в год.
Потенциал ресурса солнечной энергии является довольно
большим для обширной территории самой большой Центральной
азиатской республики. Число солнечных часов 2 200-3 000 ежегодно, и энергия солнечного излучения - 1 300-1 800 кВт/м2 в год. Несмотря на очень благоприятные условия для солнечной энергии, ресурсы солнца практически не используются.
37
В табл. 1 приведены статические данные по ежемесячному и
ежегодному уровню солнечного излучения в трех пунктах: форт
Шевченко (в побережье Каспийского моря), Аральское море (около
побережья Аральского моря) и Алма-Ата (на Юго-востоке страны).
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Форт Шевченко
157
230
387
551
724
749
752
675
512
328
179
124
Аральское море
198
307
473
616
820
850
830
736
558
343
188
139
Ежегодно
5368
6085
Таблица 1
г. Алма-Ата
178
234
363
491
656
716
758
668
506
328
186
134
5218
Таблица 2. Ежемесячный и ежегодный полный инцидент солнечного
излучения на горизонтальной поверхности, МДж/м2
Месяц
Форт Шевченко
Аральское море
г.Алма-Ата
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Ежегодно
190
249
353
492
654
729
737
705
578
395
232
137
5451
307
396
485
611
863
890
895
881
760
510
309
238
7145
38
234
226
272
400
542
680
733
686
550
396
251
175
5145
Ежемесячная и годовая суммарная солнечная освещенность
поверхности, перпендикулярной к потоку излучения, МДж/м2
Казахстан. Солнечная Прямая Нормальная Инсоляция
(Источник: НАСА)
Казахстан. Солнечное Глобальное Горизонтальное Озарение
(Источник: НАСА)
39
Необходимость развития солнечной энергетики в Казахстане, в первую очередь, обусловлено потребностями, возможностью и
удобством этого вида электроэнергии. Также одной из немаловажных причин перехода на использование солнечной энергетики является наша с вами экология и экология для будущих поколений.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
ДЛЯ СОЗДАНИЯ МОБИЛЬНОЙ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ В ПАСТБИЩНЫХ ХОЗЯЙСТВАХ
ТУРКМЕНИСТАНА
Д-р сель.-хоз. наук А.М. Пенджиев, Н.Г. Астанов,
М.А. Пенжиев
(Туркменский политехнический институт, г. Ашхабад)
Актуальность проблемы. Большая часть территорий Туркменистана, около 80%, представляет собой пустынный ландшафт,
где во многих местах отсутствует источники централизованного
энергоснабжения. Из-за низкой плотности населения, которые находятся в отдаленных районах, централизованное энергоснабжение
становится экономически не целесообразным. Это лишает многих
жителей поселков элементарных социально-бытовых условии. В некоторых местах проблему электроснабжения решают путем использования дизель-генераторных установок небольшой мощности, которые потребляют органическое топливо. Однако при использовании подобных агрегатов появляются ряд проблем: необходимость
завоз топлива на большие расстояния, что сказывается на стоимости
эксплуатации, кроме того при работе дизель-генераторов имеет место выбросы в окружающую среду, что отражается на экологической обстановке местности. Кроме того, маломощные бензогенераторы имеют весьма низкий моторесурс 600-1500 ч, большой расход
топлива 350-500 гр/кВт⋅ч, высокий уровень шума и требует при обслуживании и ремонте квалифицированных специалистов и ремонтной базы. Все это сказывается на эксплуатационных и капитальных
затратах.
Туркменистан ратифицировал Рамочную конвенцию ООН по
изменению климата в 1995 г., Киотский протокол – в 1998 г., а также
40
Конвенции по биоразнообразию (1998 г.) и по борьбе с опустыниванием (1996 г.), полностью разделяя и поддерживая глобальные экологические усилия по предотвращению изменения климата, сформулированные в этих международных документах.
В выступлении на 66-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН
в сентябре 2011 г. Президент Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедов еще раз подчеркнул, что «Приоритетным направлением
международного сотрудничества Туркменистана является экологическая сфера.
В Туркменистане в настоящее время готовится масштабный
документ – Национальная стратегия по изменению климата… Туркменистан предлагает создать специализированную структуру –
Межрегиональный центр ООН по решению проблем, связанных с
изменением климата. Готовы предоставить для его работы всю необходимую инфраструктуру в столице Туркменистана – Ашхабаде…» [Газета «Нейтральный Туркменистан». 24.09.2011 г.].
В Туркменистане есть реальная возможность уменьшения
выбросов СО2 и, следовательно, есть шанс внести свою лепту в глобальное смягчение изменения климата в мире. Приоритетным направлением снижения выбросов парниковых газов является использование возобновляемых источников энергии – солнца, ветра, геотермальных вод и т. д. Использование безопасных энергосберегающих технологий и альтернативных энергоресурсов – один из способов сокращения парниковых газов (ПГ), влияющих на изменение
климата [8, 9].
Успешной реализации данных программ может быть разработка и внедрение мобильных автономных солнечных энергетических станции небольшой мощности от 1 до 10 кВт.
Климатические ресурсы юго-восточного Туркменистана.
Юго-восточная часть Туркменистана охватывает юговосточные Каракумы, пески, степь и лежит в зоне очень сухой зоне.
Она богаче термическими ресурсами. Средне годовая температура
воздуха высокие и достигает 18 0 С. Зимы очень мягкие с умеренными и слабыми морозами. Температура самого холодного месяца (январь) 1.4 – 3.4 тепла. Число «вегетационных» зим достигает 80%.
Средний из абсолютных минимумов равен -13, -19 0 С. Лето сухое,
жаркое. Температура воздуха в июне 29.4 – 32.4 0 С. Абсолютный
максимум достигает 46-49 0 С. Средняя продолжительность безморозного периода составляет 231 день, изменяясь в пределах 208-244.
41
Число дней со средней суточной температурой воздуха выше 10 0 С
достигает 254. Сумма температур воздуха выше 10 0 С максимальна
и равна в среднем 5590 0 С, изменяясь от 5300 у Атамурада до 5920 –
Чаршанга.
Характерная черта климата юго-восточной части Каракумов
отличается не только высокой температурой, но и продолжительностью солнечного сияния достигает в среднем за год 2800 – 3100 час.,
в январе колеблется в пределах 100 – 150 и в июле – 320 – 400 час.,
или 80 - 93%. Длительность солнечного сияния летом 15, зимой – 9
часов. Число ясных дней – 166 – 185, число пасмурных дней – 45.
Максимальное число дней пыльных бури зарегистрировано в Юговосточной части 30-40 дней. Высота солнца в полдень не опускается
ниже 26-32о в декабре и достигает 72-760 в июне.
Годовой приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе составляет 146-154 ккал/см2
или 1699,4-1793 кВт/м2, годовые суммы рассеянной радиации при
безоблачном небе составляют 32-39 ккал/см2 или 372,3-453,9
кВт/м2. Незначительная нижняя облачность снижает поступление
прямой солнечной радиации всего на 27-35% от возможной и в тоже время увеличивает рассеянную радиацию на 25-40%. В результате при реальных условиях облачности годовой приход суммарной
радиации уменьшается по сравнению с возможным на 13-19% и
колеблется в пределах 145-163 ккал/см2 или 1687,7-1897,2 кВт/м2.
Технический потенциал незкопотенциальный гелиотехники
только в Туркменистане равен 1.4 109 т у.т. в год при этом сокращение выбросов СО2 может составить 3.4 Пг [4-10].
Возможности применения солнечной энергии - это преобразование ее в тепловую, механическую и электрическую, использование в химических и биологических процессах. Солнечные
установки находят применение в системах отопления и охлаждения
жилых и общественных зданий, технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской и минерализованной воды, для сушки материалов и сельхозпродуктов,
выращивания в теплицах сельскохозяйственных культур и т.п.
Следует отметить, мобильная солнечная энергетическая
станция на базе фотопреобразователей представляют собой эколо-
42
гически чистые преобразователи энергии, причем срок службы составляет не менее 15-20 лет, они имеют высокую надежность, практически отсутствуют эксплуатационные расходы и что не менее
важно не требуют квалифицированного обслуживающего персонала
и ремонтной базы. Основным видом обслуживания является сезонная азимутальная корректировка положения фотоэлементов для более эффективной их работы и периодическая протирка их от пыли.
Солнечная энергетика – это самая быстрорастущая отрасль
энергетики в мире с темпами роста 36% в год и объемом производства в 2011 г. 20,5 ГВт на 121 млрд. долл. США. Основными и главными недостатками солнечных энергетических установок на основе
фотоэлементов является зависимость их работы от времени суток и
сезонных погодных условий, а также высокая стоимость и относительно низкий КПД (в среднем, 12-14%). Тенденцию к снижению
цен и на сегодняшний день по многим зарубежным сведениям они
составляют не более 3-4 долларов за 1 Ватт [1,3-5].
Предварительные расчеты показывают, что себестоимость
вырабатываемой энергии с помощью солнечных фотопреобразователей в среднем в 3 раза выше, чем на электростанциях. Кроме того
из-за суточных и сезонных колебаний (солнечных и сезонных колебаний) солнечной радиации для непрерывной работы энергетической установки требуется различные дублеры, это электрические
аккумуляторы или дизель-генераторы. Все это еще более удорожает
стоимость солнечных энергетических станций. Однако экономические расчеты показывают, что для отдаленных малонаселенных территорий Туркменистана они окупаются за 3-4 года.
В поселке Гаррыгуль, что расположен в 100 км от Ашхабада
в центральных Каракумах была установлена автономная водоподъемная установка, работающая от солнечных фотопреобразователей,
установленной мощности (400-450) Вт [6-10]. С этой целью предварительно была проведены исследования ВАХ отдельных панелей
различных зарубежных фирм (Япония, Россия, Иран). Ниже показан
ВАХ солнечных модулей при различных плотностей радиации начиная от 100 до 1000 Вт/м2 и при температуре 25оС. Здесь же указаны выходные мощности при различных параметрах. Аналогичные
ВАХ были построены и для модулей производства Японии и России
(рис. 2).
43
Рис. 1. Вольтамперная характеристика солнечного модуля
российского производства:
S=0,41 м2; ηт=12%; ηн =7%; Рн= 29Вт; Uхх= 21,3 В; Iкз= 2,25 А; ; Uр= 16,0
В; Iр=1,8 А.
Результаты ВАХ солнечных модулей:
Иранского производств - S=0,36 м2; ηт=17%; ηн =11%; Рн= 40
Вт; Uхх= 20,5 В; Iкз= 2,98 А; ; Uр= 15,0 В; Iр=2,76 А;
Японского производства - S=0,37 м2; ηт=16%; ηн =10%; Рн= 35
Вт; Uхх= 21,7 В; Iкз= 2,74 А; ; Uр= 15,4 В; Iр=2,27 А.
Для подтверждения теоретических кривых были проведены
экспериментальные исследования в условиях Ашхабада при плотности солнечной радиации 800 Вт/см2. Экспериментальные кривые
располагаются немного ниже и незначительно отличаются от теоретических. Различие не превышает 5%. Как показали сравнение теоретических ВАХ различных фирм при плотности солнечной радиации 1000 Вт/м2.
В настоящее время вопрос водоснабжения пустынных территорий Туркменистана решаются несколькими способами – путем
сбора атмосферных осадков и с помощью водовозов, доставляющих
воду за 100-150 км. При этом стоимость одной цистерны емкостью
3 м3 составляет около 30 долларов, что значительно сказывается на
бюджете семьи. При наличии колодцев жители поселков поднимают
воду с помощью ручного труда или вьючных животных. Такой способ водоснабжения представляется довольно малопроизводительным, трудоемким и не эффективным. Некоторые жители отдаленных районов стали применять автономные дизель-генераторы вырабатывающие электроэнергию и в дальнейшем используемую для
поднятия воды из колодцев с помощью электронасосов.
44
Рис. 2. ВАХ характеристики при 1000 Вт/м2 и экспериментальные
исследования солнечного модуля различного производителя
В настоящее время нами разработана мобильная солнечная
фотоэлектрическая станция и установлена в пос. Хатап на юговосточных Каракумах. Солнечные панели устанавливались на несущей раме ориентированной на юг и благодаря шарнирному закреплению имели возможность сезонной корректировке солнечных элементов по азимуту. В качестве водоподъемника используется вибрационный насос типа «Малыш», который опускался непосредственно
в колодец на уровне воды. Номинальная мощность насоса при напоре 2-4 атм. составляет 245 Вт. Подъем воды с колодца осуществляется на высоту 17 м, при этом производительность насоса составляет
20 л/мин. В качестве дублера использовался аккумулятор, который
обеспечивал электроэнергией в пасмурные и ночные периоды суток.
Для преобразования постоянного тока напряжением 12 вольт в переменное напряжение 220 вольт использовался инвертор [6-8].
Вибрационный насос «Малыш» рассчитан на подъем воды с
глубины до 40 м, при этом его производительности составляла
9 л/мин. Как указано на схеме рис. 3, работа водоподъемной установки полностью автоматизирована. Работа насосного агрегата осуществляется с помощью ключа управления и может иметь 2 положения: ручного (Р) и автоматизированного. В положении ручного
управления получается обычная цепь магнитного пускателя ПМ,
который включает двигатель насоса. В положении автоматического
режима работой насоса управляет 2 датчика уровня (поплавковое
реле) РУ. Одно поплавковое реле установлено на колодце, а другое в
бассейне с водой. При малом уровне воды колодце контакт РУ разомкнут, и насос не включен. При достижении водой верхнего уров-
45
ня контакт РУ1 замыкается и включает пускатель ПМ, насос начинает работать и откачивать воду. Поплавковое реле держит контакт
РУ в замкнутом состоянии, пока вода не снизится до нижнего уровня. Тогда контакт РУ замкнется, что вызовет отключение пускателя
ПМ и остановку насоса [5-10].
Рис. 3. Схема управления насоса
Второе поплавковое реле работает в противоположном режиме. При малом уровне воды в бассейне контакты РУ2 замыкаются
и включает пускатель ПМ и насос начинает работать и заполняет
бассейн водой. При достижении верхнего уровня контакты РУ2 размыкаются и отключают контакты магнитного пускателя ПМ и прекращают работу насоса.
Выводы
В дальнейшем на базе этих модулей планируется создание
мобильную автономную солнечную энергетическую станцию для
обеспечения электричеством чабанского домика рассчитанного на
одну семью. Это позволит значительно улучшить социально-бытовые
условия жителей отдаленных поселков, поскольку они могут пользоваться различными электробытовыми приборами (холодильник, телевизор, кондиционер, освещение, электронасос и др.). При этом не
требуется сжигание органического топлива при выработке электроэнергии, а это значительно скажется на улучшении экологической
обстановке местности и на экономических показателях.
Литература
1.
Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М. Основы фотоэлектричества. – М.: ГНУ
ВИЭСХ, 2008. – 263 с.
2. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. Т.1. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009. – 118 с.
3. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. Т.2. – М.: ГНУ ВИЭСХ,
2009. – 227 с.
46
4. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика. – М.: МЭИ, 2008. – 276 с.
5. Шогенов Ю.Х., Стребков Д.С. Электроника. – М.: ИП РадиоСофт, 2011.
– 488 с.
6. Пенджиев А.М. Ожидаемая эколого-экономическая эффективность
использования фотоэлектрической станции в пустынной зоне Туркменистане. //Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2007, № 5.
7. Пенджиев А.М. Основные факторы развития фотоэнергетики в Туркменистана. // Международный журнал «Альтернативная энергетика и
экология» 2007, № 7.
8. Пенджиев А.М. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в Туркменистане. // Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2007, № 9.
9. Пенджиев А.М. Механизм чистого развития: приоритеты энергоэффективности В Туркменистане. // Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2009, № 10.
10. Пенджиев А.М. Автономное энерговодоснабжение пустынных пастбищ Туркменистана с использованием солнечных фотоэлектрических
установок. // Энергоснабжение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 6-й Международной научно-технической конференции.
Часть 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008.
О РЕСУРСНЫХ ОГРАНИЧЕНИЯХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИЙ И ПЕРСПЕКТИВАХ ИХ ПРЕОДОЛЕНИЯ
Канд. техн. наук И.И. Тюхов (МГУИЭ, ГНУ ВИЭСХ)
Введение
Солнечная энергетика и, в частности, фотоэлектричество
(ФЭ) - одна из наиболее быстрорастущих отраслей мировой экономики. Всего лишь три года назад на весь земной шар насчитывалось
лишь несколько солнечных электростанций мощностью от 1 МВт.
Но уже 2010 год стал для мирового рынка солнечной энергетики
этапом начала реализации гигаваттных проектов. При правильной
политике и рыночных условиях конкурентоспособность ФЭ установок может сравняться с обычными электрическими сетями уже к
2013 году согласно докладу Европейской ассоциации фотоэлектрической промышленности [1]. В последнее время появляется все
47
больше публикаций, посвященных солнечным электростанциям мегаваттных мощностей. Обсуждаются вопросы генерации энергии от
стационарных ФЭ систем, ФЭ систем со слежением по одной или
двум осям, концентраторных ФЭ систем [2]. Анализируются проблемы как автономных ФЭ систем, так и электростанций, связанных
с существующими электросетями [3]. Сотни статей, десятки обзоров
и книг, посвященных бурно развивающимся технологиям возобновляемой энергетики, отражают главные тенденции активного замещения традиционной энергетики ВИЭ. Ведется разработка новых
электроэнергетических сетей, обеспечивающих совместную работу
традиционных генераторов и генераторов на основе ВИЭ, что привело фактически к новой концепции интеллектуальных систем
(smart grids), обеспечивающих двунаправленные потоки энергии как
от сети к потребителю, так и от потребителя в сети (потребитель
становится активным благодаря локальным системам на основе
ВИЭ) [4, 5].
Кремниевые солнечные элементы
В данной статье автор на основе совместных с коллегами
разработок, публикаций и рассмотрения ресурсных ограничений
развития мировой энергетики показывает перспективность разработок солнечных систем тепло и электроснабжения (ФЭТ) на основе
концентраторных кремниевых солнечных элементов с вертикальными p-n переходами [6].
Прежде всего, необходимо отметить колоссальный прогресс,
сделанный за последние годы в задаче повышения КПД солнечных
элементов (СЭ) различных типов и изготовленных по различным
технологиям из самых разных материалов (см. рис. 1 в [7]).
На первый взгляд, кажется, что основные усилия и финансовые средства должны вкладываться в СЭ с наивысшим КПД. Действительно, огромные средства, вкладываемые в концентраторные
технологии, приносят ощутимые результаты. Так, например, фирма
Amonix в Лас-Вегасе создала производственную базу площадью
214 000 кв. футов и освоила автоматизированное производство концентраторных модулей в масштабе около 100 МВт в год, продемонстрировав это участникам конференции CPV-7 в апреле 2011 г. [8].
Заметим, что в CPV-7 приняло участие более 500 делегатов из 26
стран, что на 25% больше, чем на предыдущей конференции, состоявшейся в 2010 г. в Германии.
48
Однако необходимо взглянуть на современные тенденции в
развитии фотоэлектрической промышленности и с другой стороны.
На рис. 1 показан прогресс в росте производства солнечных модулей
(и это в основном кремниевые СЭ!).
Рис. 1. Прогресс в росте производства солнечных модулей
На графике трех поколений СЭ (по общепринятой классификации), построенном в [7], по вертикальной оси нами добавлен объем производства каждого из поколений СЭ. Из указанного рисунка в
[7] видно, что, несмотря на весь прогресс в разработках второго поколения тонкопленочных элементов, эти технологии не смогли заменить технологии первого поколения. Таким образом, основной
прирост производства дают кремниевые технологии.
Эту тенденцию подтверждает анализ роста количества патентов, полученных на СЭ с использованием различных материалов:
CdTe, соединений AIIIBV и кремния (рис.4) [9]. Не удивительно, что
СЭ с использованием классического материала - кремния имеют
здесь самый значительный прирост по числу полученных патентов.
В последние годы все острее встает вопрос о ресурсных и
экологических ограничениях развития мировой энергетики. Подробный анализ ресурсных ограничений фотоэлектрической промышленности, проведенный с учетом существующих прогнозов,
приводится в [10]. Заметим, что прогнозы спроса на энергию составляют 28 ТВт к 2050 году и 46 ТВт к 2100 году.
49
Рис. 2. Рост числа патентов на СЭ, изготовленные из CdTe,
соединений AIIIBV и кремния
Развертывание технологий солнечного фотоэлектричества в
качестве источника электроэнергии будет расширяться в масштабе
до десятков тераватт пик для того, чтобы стать заметным источником энергии в будущем. Из нынешних коммерческих и развиваемых
технологий СЭ, большинство имеют естественные ограничения
ресурсов, которые не позволяют им достичь тераваттных масштабов. Эти ограничения включают высокие затраты энергии для производства кристаллического кремния, ограниченное производство
материала для солнечных элементов на GaAs и нехватка материалов
для CdTe, CIGS, сенсибилизированных красителем солнечных элементов, на основе кристаллического кремния и тонкопленочных Si
солнечных элементов.
50
В статье [10] рассмотрены ограничения по лучшим сценариям развития для CdTe, CIGS, GaAs, сенсибилизированных красителем солнечных элементов и солнечных элементов на кристаллическом кремнии. Показано, что без существенных технологических
прорывов, эти технологии в сочетании смогут удовлетворить лишь
несколько процентов (~ 2%) нашего спроса на энергию в 2100 году.
В одной из таблиц [10] суммируются оценки максимальной пиковой
мощности по оптимистичным сценариям для различных технологий
использования СЭ, основанных на известных ресурсных базах лимитирующего материала в каждой из технологий. При использовании всех четырех технологий (CdTe, CIGS, сенсибилизированных
красителем, и кристаллических на Si), они будут обеспечивать не
более 4% от спроса на энергию в 2100 году, однако, это оценки по
лучшему сценарию; реально эти технологии, вероятно, обеспечат в
лучшем случае 1-2% от 2100 спроса на энергоносители.
Значительные технологические прорывы должны быть достигнуты, чтобы преодолеть некоторые из этих ресурсных ограничений, таких альтернативных технологий, например, без использования металлического серебра в качестве передних контактов солнечных элементов на кристаллическом кремнии.
В другой таблице в [10] суммированы оценки по оптимистичным сценариям текущего производства для различных технологий использования солнечных элементов, основанных на известных
ресурсных базах лимитирующего материала в каждой из технологий. Если считать, что солнечные батареи имеют 30 летний срок
службы, они должны устанавливаться в масштабах около 500 ГВт
/год для того, чтобы достичь 15 ТВт через 30 лет, а затем поддерживать установленные 15 ТВт пик мощности. При нынешних темпах
производства многих материалов, большинство из текущих технологий солнечных элементов может производиться только в масштабах
несколько гигаватт пик в год.
СЭ на основе кристаллического кремния - единственная технология, которая ближе всего к этому показателю ~ 300 ГВт пик по
лучшему сценарию и ~ 100 ГВт пик по реалистическому. Однако
использование кристаллического кремния в солнечных элементах
планарного типа приведет к истощению запаса серебра через 19 лет.
Такие же материалы, как GaAs для солнечных батарей необходимо
добывать гораздо более высокими темпами для того, чтобы производить эти солнечные элементы с более высокой скоростью.
51
Кремниевые солнечные элементы
с вертикальными p-n переходами
СЭ из монокристаллического кремния с вертикальными p-n
переходами впервые в мире были созданы в 1967-1971 гг. в НПО
«Квант» (Лидоренко Н.С., Стребков Д.С., Ландсман А.П. и др.)[11].
Дальнейшие исследования показали, что такие СЭ имеют плотность
напряжения 10-100 В/см2 рабочей поверхности и линейными характеристиками тока и мощности при сверхмощных импульсах оптического излучения. Термостойкость этих СЭ ограничивается температурой плавления припоя, при помощи которого структуры с вертикальными p-n переходами соединяются в единое целое. История
этих СЭ и СЭ с другой топологией подробнее изложена в истории
подробнее [12].
Во ФГУП ВЭИ с 80-х годов ведутся работы по созданию СЭ
с вертикальными p-n переходами с использованием алюминия в качестве материала соединяющего полупроводниковые структуры в
единое целое. На первом этапе этих работ ставилась задача использования отходов кремния полупроводникового силового производства. Было показано, что решения этой задачи наилучшим решением
с учетом используемого оборудования является предложенная технология сращивания с помощью алюминия (Симакин В.В., Васильев
А.М., Тюхов И.И., Стебунов А.Ф., Рычков Е. и др.). Геометрия этих
элементов принципиально отличается от СЭ с планарными p-n переходами и наилучшим образом соответствует преобразованию концентрированного излучения [13].
В последние годы как в ВИЭСХ, так и в ВЭИ были получены
интересные результаты, однако нерегулярное финансирование этого
перспективного направления не позволяет выйти на ОКР.
В то же время в США активизация работ по этому направлению и получение соответствующего финансирования позволило
компании Greenfield Solar создать демонстрационный проект и установить в Кливленде (штат Огайо) в 2011 г. двадцать фотоэлектрических концентраторных систем на основе кремниевых СЭ с вертикальными p-n переходами (площадь зеркал каждой установки около
11м2), что позволяет получать 20 кВт электрической энергии и около
70 кВт в виде тепла (рис. 3, Rockefeller Greenhouse Solar
Demonstration). Автору воочию удалось увидеть правильность выбранного нами направления [13, 14].
52
Рис. 3. Двадцать ФЭТ концентраторных систем
(Clevelend, OH, USA, август 2011 г.)
Выводы
Результаты разработок, проведенных в России и США, показывают высокий потенциал использования комбинированных концентраторных систем с СЭ с вертикальными p-n переходами, обладающими высокой полной эффективностью (по генерации электричества и тепла) и, которые в минимальной степени подвержены ресурсным ограничениям.
Эти технологии не требуют использования дефицитных материалов типа As, Ga, Cd, Te, Ag и т.д., а также очень сложных и дорогостоящих технологий. Использование концентраторных технологий позволяет снизить энергопотребление на изготовление меньшего количества полупроводниковых СЭ. Доступность исходного материала также играет важную роль.
Выделение финансирования на ОКР по этому направлению
позволит уже в ближайшем будущем существенно продвинуться по
пути практического использования солнечной энергии.
Литература
1.
2.
“Solar Photovoltaics Competing in the Energy Sector – On the road to competitiveness” Report of the European Photovoltaic Industry Association,
2011.
Francisco Javier Gómez-Gil, Xiaoting Wang, Allen Barnett Energy production of photovoltaic systems: Fixed, tracking, and concentrating Renewable
and Sustainable Energy Reviews, v. 16, № 1, January 2012, p. 306-313.
53
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Mohamed A. Eltawil, Zhengming Zhao Grid-connected photovoltaic power
systems: Technical and potential problems Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 14, № 1, January 2010, р. 112-129.
Smart Grid, Integrating Renewable, Distributed & Efficient Energy Edited
by Fereidoon P. Sioshansi, Academic Press, 2012, pp.568.
Тюхов И. И., Симакин В.В. Интеллектуальные сети (Smart grids) и возобновляемая энергетика // Возобновляемые источники энергии: Курс
лекций / Под общей редакцией А.А. Соловьева, С.В. Киселевой – М.:
МИРОС, 2010. – 107-119 с.
Simakin V., Tyukhov I., Murashev V., Poulek V. Concept of combined
PV/T system based on concentrator with vertical p-n junctions solar cells. In
Proceedings 3rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 1-5 September 2008, Valencia, Spain, 2008, 795-798.
Тюхов И.И. Преобразование солнечной энергии в наноструктурированных интерфейсах. // В кн.: Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. (Ред. В.Н. Харькин, Чуньли Бай, Осама О. Аваделькарим, С. П. Капица). - М.: Издательский Дом МАГИСТР-ПРЕСС, 2009. стр. 521-540.
Tyukhov I., Simakin V. “Some Russia CPV Projects and New Tendencies”
7th International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems (CPV7), Poster presentation, Las-Vegas, 3-6 Apr. 2011.
John S. Liu, Chung-Huei Kuan, Shi-Cho Cha, Wen-Ling Chuang, George J.
Gau, Jeng-Ywan Jeng Photovoltaic technology development: A perspective
from patent growth analysis // Solar Energy Materials and Solar Cells, v. 95,
№ 11, November 2011, р. 3130-3136.
Coby S. Tao, Jiechao Jiang, Meng Tao. Natural resource limitations to terawatt-scale solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells v. 95, № 12,
December 2011, p. 3176-3180.
Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. М.: ГНУ ВИЭСХ,
2009. Том 1 – 120 с. Том 2 – 228 с. Том 3 – 312 с.
Тюхов И.И. Солнечные элементы с различной топологией // Возобновляемые источники энергии. Лекции ведущих специалистов, прочитанные на V Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии», вып.4, под общей редакцией А.А. Соловьева.
- М.: Книжный дом университет, 2006, с. 97-112.
Симакин В.В., Смирнов А.В., Тюхов И.И. Солнечная энергетическая
установка для одновременного получения электричества и тепла //
Электротехника. №3, 2010, с. 38-42.
Tyukhov I., Simakin V., Berengarten M., Miitna I. From Autonomous
Combined Energy Systems to Smart Grids, From Research to Education,
ISES Solar World Congress, August 28 - September 2, 2011, Kassel, Germany, Proceedings, p. 194-200.
54
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КВАНТОВОГО ВЫХОДА
ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Канд. физ.-мат. наук Ю.Д. Арбузов,
д-р физ.-мат. наук В.М. Евдокимов,
канд. тех. наук О. В. Шеповалова
(ГНУ ВИЭСХ)
Основные современные исследования характеристик полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей энергии, фототранзисторов, фото- и светодиодов, а также способы измерения
электрофизических параметров полупроводниковых структур, основываются на модельном положении, что квантовый выход внутреннего фотоэффекта κ(λ) равен нулю при длинах волн излучения λ,
равных или больше красной границы фотоэффекта λg, и единице в
области собственного поглощения полупроводника λ < λg (например, [1 - 4]). Однако в действительности квантовый выход, начиная
со значения κ(λg) = 0, резко растет до единицы при уменьшении
длины волны излучения в области λg/2 ≤ λ ≤ λg, а в далекой коротковолновой области λ < λ0 = λg/2, где энергия фотона достаточна для
образования двух и более электронно-дырочных пар, может значительно и даже в несколько раз превышать единицу.
Целью данной работы являлась разработка метода определения квантового выхода, основанного на измерении спектральной
чувствительности специальной фотоэлектрической структуры. Для
решения этой задачи предложен новый класс фотоприемников, создаваемых на едином кристалле методами мезотехнологии по типу
интегральных схем, включая создание на части освещаемой поверхности полупроводниковой пластины p-n переходов с металлическими контактами к ним, которые имеют форму гребенки из полосок с
одинаковой шириной и эквидистантными расстояниями между ними. Конструкция элемента мезоструктуры представлена на рис. 1.
Уравнение для избыточной концентрации неосновных носителей заряда в базовой области p-типа (электронов) Δn(x,y) при монохроматическом освещении имеет вид:
∂ 2 Δn
∂x 2
+
∂ 2 Δn
∂y 2
−
Δn
L2
+
55
αΦ
exp(−αx) = 0 ,
D
Рис. 1. Конструкция элемента мезоструктуры:
1 – база p-типа; 2 – рабочая поверхность; 3 –области n-типа; 4 – барьеры, разделяющие носители заряда; 5 – металлические контакты на
рабочей поверхности; 6 – металлический контакт; d – размер p-n перехода; l – полуширина элемента структуры; w- ширина контакта
на рабочей поверхности
где L и D – соответственно диффузионная длина и коэффициент
диффузии носителей, Φ – плотность потока квантов на поверхность
x = 0, α – коэффициент их поглощения.
Граничные условия при x = 0, включая p-n переход, имеют
следующий вид:
в области 0 ≤ y ≤ l - w/2:
D
∂Δn
= S ⋅ Δn x = 0 ,
∂x x = 0
где S – скорость поверхностной рекомбинации на освещаемой поверхности;
в области l ≥ y ≥ l - w/2:
Δn x = 0 = 0 .
Аналогично представляется граничное условие на тыльной
поверхности x = d.
Граничные условия при y = 0 и y = l:
∂Δn
∂Δn
= 0;
= 0.
∂y y = 0
∂y y = l
Исследование данной системы соответствует задаче математической физики для неодномерных структур с разрывом граничных
условий на поверхности элемента при x = 0. Решение представленной задачи относится к так называемым проблемам Гилберта [5].
56
Для решения уравнений математической физики с разрывными граничными условиями была разработана программа решения подобных задач методом конечных разностей [6]. Программа позволяет
находить пространственные распределения концентрации и потоков
носителей заряда и определять чувствительность сложных фотоэлектрических структур.
Согласно разработанной теории, ожидаемый результат измерения квантового выхода практически не зависит от фотоэлектрических и рекомбинационных параметров объема и поверхности полупроводника [4].
Спектральная чувствительность представленной структуры
J(λ) определяется выражением:
J(λ) = (1 − R (λ)) ⋅ κ(λ) ⋅ Q(λ) ⋅
qλ
,
hc
где R(λ) – коэффициент отражения излучения; q – заряд электрона;
h – постоянная Планка; c – скорость света в вакууме; Q(λ) – коэффициент собирания носителей заряда p-n переходом:
D
Q(λ) =
l⋅Φ
l
∂Δn(x, y)
dy .
∂x
x =0
l− w / 2
∫
На рис. 2 приведены рассчитанные для кремниевых мезоструктур спектральные зависимости Q(λ). Результаты представлены
для ряда значений скорости поверхностной рекомбинации S, см/с:
1 – 104;2 - 103; 3 - 102; 4 - 0 при w = 4 мкм, d = 300 мкм, l = 50мкм,
Dn = 25см2/с, при времени жизни носителей заряда τn = 10-5c и диффузионной длине неосновных носителей заряда в базовой области pтипа (электронов) L = 158 мкм. В расчетах α(λ) использованы данные работы [3].
Рис. 2. Спектральные зависимости коэффициента
собирания носителей
заряда
57
Важнейшей особенностью мезоструктуры является то, что
коэффициент собирания фактически имеет П-образную форму в
широкой спектральной области практически при любых значениях
S. В частности, для S = 0 и d → ∞ при малой ширине контактной полоски (w << 2l, L) решение задачи оказалось также возможным получить аналитическими методами, что дало выражение:
⎞
⎛
⎛ π 2 L2
2α L w ⎜ 2 L
πL ⎞⎟ ⎟
⎜
,
Q(λ ) =
⋅ ⋅ ln
− ln
+1 +
⎜ 4l 2
2l ⎟ ⎟⎟
αL + 1 πl ⎜⎜ w
⎠⎠
⎝
⎝
которое соответствует Q(λ) ≈ const в области α(λ)⋅L >> 1.
Для сравнения на рис. 2 приведены кривые 5-7, характеризующие обычно используемый фотоприемник, содержащий поверхностный легированный слой толщиной 1 мкм с поверхностной рекомбинацией в нем 106 см/с и базу, Dp = 1,56 см2/с, τp = 5·10-8c . Кривая 5 – коэффициент собирания для легированного слоя, кривая 6 –
коэффициент собирания для базового слоя, кривая 7 – суммарный
коэффициент собирания. Из кривых 5-7 видно, что такой фотоприемник обладает резко выраженной зависимостью фоточувствительности от длины волны, в отличие от мезоструктуры (кривые 1-4).
Выявленная особенность предложенной структуры фотоприемника
является физической основой создания высокоэффективного метода
измерения квантового выхода.
Разработанный метод измерений включает основное положение, что для длин волн λ < λs, где λs > λ0 – характеристическая
длина волны для предложенной мезоструктуры, коэффициент Q(λ)
является практически неизменным. Это позволяет установить следующую связь между спектральной чувствительностью J(λ) в данной области длин волн и спектральной чувствительностью J(λ0) для
длины волны λ0, при которой квантовый выход априорно равен единице (κ(λ0) = 1):
J(λ 0 )
J(λ)
=
.
κ(λ) ⋅ λ ⋅ (1 − R(λ)) λ 0 ⋅ (1 − R (λ 0 ))
Установленная зависимость дает возможность экспериментально определить квантовый выход посредством измерения спектральной чувствительности и коэффициента отражения излучения в
58
мезоструктуре. Представленные на рис. 2 данные показывают значения λs ≈ 0.8 – 0.9 мкм. Они соответствуют типичным широкозонным полупроводникам типа кремния или арсенида галлия и зависят
от конструктивных, диффузионных и рекомбинационных параметров мезоструктуры.
При изменении ширины контактов и расстояния между ними
коэффициент собирания носителей заряда изменяется с сохранением
П-образной формы зависимости. На рис. 3 приведены зависимости
Q(λ) для разной геометрии структуры.
а)
б)
в)
г)
Рис. 3. Спектральные зависимости коэффициента собирания носителей заряда при разной геометрии мезоструктуры:
а) – ширина контакта 10 мкм, ширина элемента структуры 100 мкм;
б) – ширина контакта 10 мкм, ширина элемента структуры 200 мкм;
в) – ширина контакта 100 мкм, ширина элемента структуры 200 мкм;
г) – ширина контакта 100 мкм, ширина элемента структуры 400 мкм
59
Для повышения чувствительности фотоэлектрической мезоструктуры за счет снижения поверхностной рекомбинации полупроводника и для контроля разброса в измерениях квантового выхода
дополнительно осуществляется механическая или химическая пассивация освещаемой поверхности полупроводниковой пластины,
свободной от p-n переходов и контактов к ним. Для исследования
зависимости квантового выхода от физико-химических свойств полупроводника, в качестве исходной полупроводниковой пластины
используются образцы с разным химическим составом, разным типом и уровнем легирования.
Заключение
Таким образом, представленный метод включает:
- разработку специальной конструкции фотоэлектрической
мезоструктуры с p-n переходами на освещаемой поверхности полупроводниковой пластины;
- расчет спектрального коэффициента собирания носителей
заряда в структуре и определение характеристической длины волны
λs; измерение спектральной чувствительности мезоструктуры J(λ) и
коэффициента отражения излучения R(λ);
- определение квантового выхода излучения с длиной волны
λ в спектральной области λ < λs по формуле:
κ(λ) =
J (λ ) λ 0 1 − R ( λ 0 )
⋅
⋅
.
J ( λ 0 ) λ 1 − R (λ )
Результат измерения квантового выхода в области длин волн
λ < λs обладает высокой точностью и является пригодным для всех
конструктивных параметров систем при любых фотоэлектрических
и рекомбинационных параметрах объема и поверхности полупроводника.
Литература
1.
2.
3.
Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов. М.: Наука,
1965. 448 с.
Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Советское радио, 1971. - 248 с.
Преобразование солнечной энергии. Вопросы физики твердого тела /
Под ред. Б. Серафина. М.: Энергоиздат, 1982. - 320 с.
60
4.
5.
6.
Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М. Основы фотоэлектричества. М.: ГНУ
ВИЭСХ, 2007. - 292 с.
Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного
переменного. М.: Наука, 1972. - 393 с.
Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений.
М.: Наука, 1978. - 592 с.
КАСКАДНЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
НА ОСНОВЕ ТУННЕЛЬНЫХ СТРУКТУР
ГОМОГЕННОГО ПОЛУПРОВОДНИКА
Канд. физ.-мат. наук Ю.Д. Арбузов,
д-р физ.-мат. наук В.М. Евдокимов,
канд. техн. наук О.В. Шеповалова (ГНУ ВИЭСХ)
Одно из наиболее перспективных направлений в развитии
фотоэлектрического способа преобразования энергии представляет
разработка и исследование нового типа каскадного фотопреобразователя (ФП) на основе предложенной в работах [1-3] туннельной
структуры гомогенного полупроводника n+-p-p+(t)n+-p-p+(t)…n+-p-p+
(рис 1). Структура создается последовательным эпитаксиальным
нанесением слоев на базовый ФП, который получается способом
легирования полупроводниковой пластины и обеспечивает механическую прочность всей конструкции.
Рис. 1. Структура каскадного гомогенного фотопреобразователя
Данная структура принципиально позволяет одновременно
повысить выходное напряжение и КПД гомогенного ФП. Это обосновывается тем, что эпитаксиальные слои кристаллического полупроводника могут оказаться более совершенными по сравнению с
массивными полупроводниками, выращенными обычными про-
61
мышленными технологическими методами. Такая структура представляет гомогенный каскадный ФП, состоящий из последовательно
соединенных ФП, освещаемых светом, прошедшим через предыдущие полупроводниковые слои.
Поскольку p+- и n+- слои являются высоко легированными,
то на переходе между ними возникает низкоомный контакт за счет
квантовомеханического эффекта туннелирования носителей заряда
под потенциальным барьером в тонком слое (t) шириной δ ∼ 10-5 ÷
10-6 см. Кроме того, этот слой обладает сильной рекомбинацией генерированных носителей заряда, так что переход, по существу, является аналогом прозрачного металлического контакта. Это обеспечивает фиксированное положение уровня Ферми относительно границ разрешенных зон на контактах при любых электромагнитных
воздействиях на структуру. Однако туннельные слои обладают низкой фотоактивностью.
При последовательном соединении токи в элементах одинаковы, причем для избежания схемных потерь каскадного ФП каждый элемент при освещении должен находиться в оптимальной точке своей вольтамперной характеристики. Фактически это сводится к
требованию равенства фототоков всех входящих в структуру ФП.
Для осуществления этого необходимо определить соответствующие
значения толщины базовых слоев отдельных ФП.
Кроме того, возникает и более общая задача оптимизации
структуры и конструкции каскадного ФП. Поскольку освещение каждого отдельного ФП уменьшается с ростом их числа из-за поглощения света в более верхних слоях, то фототок, генерируемый в
структуре, также уменьшается с ростом числа отдельных ФП. В то
же время полное напряжение в структуре, представляющее сумму
напряжений в отдельных ФП, с ростом их числа, в общем случае,
будет изменяться немонотонно. Снимаемая мощность, в общем случае, также будет немонотонно зависеть от числа ФП в каскаде, достигая максимальной величины при некотором его значении. Естественно, что оптимальные значения толщины отдельных ФП и их полного числа, как и значения максимальной генерируемой мощности,
будут зависеть от спектра падающего излучения диффузионных и
рекомбинационных параметров каждого слоя.
В данной работе ставится задача выявления предельно достижимых фотоэлектрических характеристик идеализированных кас-
62
кадных ФП, соответствующих условиям пренебрежения рекомбинацией носителей заряда в низколегированных эпитаксиальных p-слоях структуры. Справедливость реализации таких условий основывается на том, что оптимальные значения толщины p-слоев априорно
могут оказаться малыми по сравнению с диффузионными длинами
носителей заряда в них, а поверхностная рекомбинация устраняется
за счет создания в структуре большого потенциального барьера на
переходах с сильно легированными туннельными слоями. В то же
время в туннельных слоях рекомбинация считается настолько большой, что они оказываются «мертвыми», т.е. полностью нефотоактивными.
Оптимизация параметров структуры.
При преобразовании монохроматического излучения с коэффициентом поглощения α условия равенства фототоков в последовательной цепи каскада определяются системой уравнений:
e αd 2 = 1 + e − αδ Q ,
⎞
⎛ i −1
− α⎜⎜ ∑ d k + ( 2i − 3)δ ⎟⎟
⎠ Q;
e αd i = 1 + e ⎝ k = 2
(
)
i = 3,4,..., N ,
e αd i +1 = 1 + e − 2αδ ⋅ 1 − e − αd i ; i = 2, 3,..., N − 1 ,
где Q – спектральный коэффициент собирания генерированных носителей заряда в базовом 1-м ФП dk – оптимальная толщина слабо
легированного p-слоя k-го ФП, а δ – толщина мертвого туннельного
слоя. Решение этих уравнений дает значение для толщины:
di =
1 1 − e − 2αδ + Qe − αδ (1 − e − 2αδ(i −1) )
; i = 2,3,..., N ,
ln
α 1 − e − 2αδ + Qe − αδ (1 − e − 2αδ(i − 2) )
которая резко падает при увеличении α и логарифмически растет
при увеличении Q. Зависимость оптимальной толщины ФП от его
номера при различных значениях δ представлена на рис. 2 для излучения с коэффициентом поглощения α = 0,125 мкм-1, примерно соответствующем максимуму фоточувствительности кремниевого ФП,
при типичном для эффективных базовых ФП значении Q = 0,8.
При слабом поглощении в этом слое (αδ << 1) зависимость
является довольно сильной и имеет логарифмический вид:
63
5
4,5
Q= 0,8
Толщина ФП. мкм
4
α= 0,125 1/мкм
3,5
δ, мкм =0
=0,08
=0,24
=0,48
=0,80
=1,28
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Номер ФП
Рис. 2. Зависимость оптимальной толщины ФП от номера в каскаде
di ≈
1
1 + (i − 1) ⋅ Q
; αδ << 1; i = 2, 3,..., N ,
⋅ ln
1 + (i − 2) ⋅ Q
α
причем толщина di изменяется обратно пропорционально α.
С увеличением толщины туннельного слоя δ оптимальная
толщина di уменьшается, а падение ее с ростом номера i становится
более крутым. При достаточно большом поглощении в туннельном
слое (αδ ≥ 1) оптимальная толщина i-го ФП экспоненциально падает
с ростом его номера, толщины туннельного слоя и коэффициента
поглощения излучения в соответствии с выражением:
di ≈
Q − αδ( 2i − 3)
⋅e
; αδ ≥ 1; i = 2,3,..., N .
α
Как видно, оптимальная толщина ФП в каскаде с N ≤ 5 составляет от одного до нескольких микрон, что технологически реализуется эпитаксией на кремнии. Однако, для создания
высоковольтных структур (с числом ФП в каскаде N ~ 10)
необходимы более точные прецизионные технологические методы.
Фототок и спектральная чувствительность.
Полученное выражение для плотности максимального фототока JΦ и соответствующего коэффициента собирания генерированных носителей заряда QC в оптимизированной каскадной структуре,
содержащей N ФП, имеет вид:
Q ⋅ e − 2αδ ( N −1)
J Φ = qΦ ⋅ Q С = qΦ ⋅
1+ Q
(
e − αδ 1 − e − 2αδ( N −1)
)
,
1 − e − 2αδ
где q – заряд электрона, Φ – плотность потока падающих фотонов.
64
Как видно, максимальный коэффициент собирания QС монотонно растет с увеличением коэффициента собирания в базовом ФП
Q и падает с увеличением числа ФП в каскаде N, толщины мертвого
туннельного слоя δ и коэффициента поглощения излучения α. Зависимость QС от числа ФП в каскаде N ≤ 10 при различных значениях
δ представлена на рис.3 для излучения с коэффициентом поглощения α = 0,125 мкм-1 при значении Q = 0,8.
1
0,9
0,8
Q= 0,8
0,7
α= 0,125 1/мкм
Qc
0,6
δ, мкм=0
0,5
=0,08
=0,24
=0,48
=0,80
=1,28
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1
2
3
4
5
6
7
Число ФП в каскаде
8
9
10
Рис. 3. Коэффициент собирания носителей заряда QС
в оптимизированном каскадном ФП
Случай при δ = 0 соответствует идеальной модели каскадного ФП с полным собиранием носителей заряда, генерируемых в эпитаксиальных слоях, и предельными фотоэлектрическими характеристиками структуры, в которой коэффициент собирания не зависит от
длины волны излучения:
Q
.
QС =
1 + ( N − 1)Q
При этом QС медленно падает с ростом N и постепенно становится независящей от Q, приближаясь к значению QС = 1/N.
При увеличении δ коэффициент собирания носителей более
резко падает с ростом величин N или αδ и при αδN > 1 это падение
становится примерно экспоненциальным:
Q
.
− 2αδ( N −1)
QС ≈
⎛
Q
⎜⎜1 +
αδ
⎝ e − e − αδ
⎞
⎟⎟
⎠
⋅e
65
; αδN > 1
Вольтамперная характеристика и КПД.
Полное напряжение U, генерируемое в структуре, представляет сумму напряжений, генерируемых в отдельных ФП. Таким образом, вольтамперная характеристика каскадного ФП в пренебрежении сопротивлением туннельного слоя получает вид:
N ⋅ AkT ⎛ qΦ ⋅ Q С − J ⎞
ln⎜⎜
+ 1⎟⎟ ,
q
J0
⎠
⎝
U=
где J – плотность тока в каскаде, J0 – плотность обратного темнового
тока в каждом ФП, A – параметр кривизны характеристики. При
единой технологии создания ФП величины A и J0 оказываются практически одинаковыми для всех ФП.
Зависимости напряжения холостого хода и отношения мощности каскада к мощности базового ФП от N представлены на рис. 4
и 5 для различных значений толщины туннельного слоя δ при
α = 0,125 мкм-1, Q = 0,8, освещении с интенсивностью, равной солнечной (qΦ = 45 мА/см2), и параметрах, соответствующих рекомбинационному механизму тока (A = 2; J0 = 10-7 А/см2).
6000
5000
qΦ0 = 45 мА/см2
Uхх, мВ
4000
δ, мкм
A = 2; J0 = 10-7 А/см2
0
0,004
0,008
0,056
0,16
0,32
0,64
1,28
3000
α = 0,125 1/мкм
2000
1000
0
1
2
3
4
5
6
7
Число ФП в каскаде, N
8
9
10
Рис. 4. Напряжение холостого хода каскадного ФП
В общем случае эта зависимость является немонотонной, вид
которой определяется величиной αδ. При αδ < 1 напряжение при
небольших значениях N растет практически линейно. С увеличением αδ отклонение от линейности увеличивается. В области αδN > 1
зависимость дается выражением:
66
⎞
⎛
⎟
⎜
⎟
N ⋅ AkT ⎜
qΦ ⋅ Q
− 2αδ ( N −1)
U хх ≈
ln⎜
⋅e
+ 1⎟ .
q
⎞
Q
⎟
⎜ J 0 ⋅ ⎛⎜1 +
⎟
⎜
⎟
⎜
αδ
− αδ ⎟
⎝ e −e
⎠
⎠
⎝
При обычном очень большом отношении фототока к обратному току насыщения, qΦQ/J0 >>>1, возникает максимум Um:
2
AkT ⎛⎜ qΦ ⋅ Q ⋅ (e αδ − e − αδ ) ⋅ e 2αδ ⎞⎟
.
Um ≈
⋅ ln
⎟
8 ⋅ q ⋅ αδ ⎜⎝
J 0 ⋅ e αδ − e − αδ + Q
⎠
(
)
при значении Nm:
qΦ ⋅ Q ⋅ e 2αδ
⎛
⎞
Q
⎟⎟
J 0 ⋅ ⎜⎜1 +
⎝ e αδ − e − αδ ⎠
Для параметров, представленных на рис. 4, максимум с ростом N впервые появляется на кривой с δ = 1,28 мкм (αδ = 0,16) при
Nm = 19 и имеет величину Um = 5,5 В. При αδN >> 1 напряжение холостого хода падает в соответствии с зависимостью:
AkT ⋅ Φ ⋅ Q
U хх ≈
⋅ N ⋅ e − 2αδ( N −1) → 0; N → ∞ .
⎛
⎞
Q
⎟
J 0 ⋅ ⎜⎜1 +
αδ
− αδ ⎟
⎝ e −e
⎠
Nm =
1
⋅ ln
4αδ
1,1
1
Относительный КПД
0,9
0,8
δ, мкм
0,7
0
0,004
0,008
0,056
0,16
0,32
0,64
1,28
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
qΦ0= 45 мА/см2
α = 0,125 1/мкм
A = 2; J0 = 10-7 А/см2
0,1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Число ФП в каскаде, N
Рис. 5. Относительный КПД каскадного ФП
67
10
С уменьшением величины αδ значения Nm и Um растут, тем
самым указывают на принципиальную возможность получения
очень высоковольтных ФП на основе гомогенного полупроводника.
Мощность каскадного ФП с ростом N изменяется немонотонно, возрастая при малых N, проходя затем максимум и асимптотически (N → ∞, при αδ ≠ 0) падая как: N⋅exp(-4αδN).
КПД каскадных ФП превышают КПД базового ФП только
при малых значениях толщины туннельного слоя δ, ограниченном
числе ФП в каскаде N и соответствующем ограниченном значении
напряжения (для значения α = 0,125 мкм-1 это соответствует условиям δ ≤ 0,16 мкм и N ≤ 9 и Uхх ≤ 4,5 В). Использование более высоковольтных конструкций ФП неизбежно связано с резким падением их
КПД, особенно при δ ≥ 0,32 мкм и N ≥ 10.
Выводы
Создание каскадных ФП на основе гомогенного полупроводника имеет большие перспективы получения эффективных ФП с высоким напряжением, однако в реальных случаях это может быть
достигнуто только за счет резкого снижения фототока, мощности и
КПД.
Фототок каскадного ФП резко, в асимптотическом пределе
экспоненциально, падает при увеличении числа элементов в каскаде.
Предельные значения напряжения, мощности и КПД немонотонно
изменяются при увеличении числа элементов, достигая максимума и
экспоненциально падая с его асимптотическим ростом.
Толщина туннельных слоев в структуре является наиболее
критичной величиной, определяющей эффективность каскадных гомогенных ФП, что приводит к необходимости оптимизации реальных структур по величине рекомендуемого напряжения.
Литература
1.
2.
Патент РФ № 2357325. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор и способ его изготовления /Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М.,
Стребков Д.С., Шеповалова О.В. // БИ. 2009. № 15.
Стребков Д.С., Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Шеповалова О.В. Планарный многопереходный фотоэлектрический генератор на основе гомогенного полупроводника // Энергообеспечение и энергосбережение в
сельском хозяйстве. Труды 6-й Международной конференции. Часть 4.
68
3.
Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008, с. 133-138.
Y.D. Arbuzov, V.M. Evdokimov, D.S. Strebkov, O.V. Shepovalova. Planar
High-Voltage Solar Cell on the Basis of the Homogeneous Semiconductor.
Abstract
//
ISES
SOLAR
WORLD
CONGRESS.
2011 – 28 August – 2 September 2011, Kassel, Germany. URL:
http://cms.swc2011.org/loginarea/paperdownload/abstract.
СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МЕЗОСТРУКТУРЫ
С ЛИНЕЙНЫМ ОКНОМ ЗАСВЕТКИ
Канд. физ.-мат. наук Ю.Д. Арбузов,
д-р физ.-мат. наук В.М. Евдокимов
(ГНУ ВИЭСХ, НТЦ ВИЭН)
Новый перспективный вид фотоприемников матричного типа, предназначенных для исследования фотоэлектрических характеристик и электрофизических параметров полупроводников, представляют объемные, непланарные, полупроводниковые структуры, в
которых p-n переходы создаются по мезотехнологии в виде островков или углублений на поверхностях образца. Одной из наиболее
простых структур подобного типа является представленная на рис. 1
конструкция с линейной полосой фоточувствительности на освещаемой поверхности шириной 2l и толщиной структуры h и с металлическими контактами на внешних поверхностях n-слоев и на
тыльной поверхности базовой p-области.
Исследование спектральной чувствительности основано на
определении пространственных распределений концентрации и потоков неосновных носителей заряда в базовой области.
I. При монохроматической засветке фотоэлектрической
структуры со стороны поверхности x = 0 с коэффициентом поглощения излучения α и плотностью потока квантов Φ уравнение для
избыточной концентрации неосновных носителей (электронов)
Δn1(x,y) в области 0 ≤ x ≤ h; 0 ≤ y ≤ l имеет вид:
∂ 2 Δn1 ∂ 2 Δn1 Δn1 αΦ
(1)
+
−
+
exp(−α ⋅ x ) = 0;
2
2
2
D
∂x
∂y
L
69
Рис. 1. Конструкция элемента мезоструктуры
с граничными условиями:
D
∂Δn1
= S ⋅ Δn1 x = 0
∂x x = 0
(2)
∂Δn1
= 0,
∂y y =0
(3)
где L и D – соответственно диффузионная длина и коэффициент
диффузии носителей.
Принимая условие отсутствия рекомбинации на тыльной поверхности (x = h) структуры, получаем:
∂Δn1
= 0.
∂x x = h
(4)
II. В области 0 ≤ x ≤ h; l ≤ y ≤ Λ (Λ → ∝) фотогенерация носителей заряда не происходит и концентрация неосновных носителей Δn2(x,y) описывается однородным уравнением, соответствующим (1), с граничными условиями, соответствующими режиму фототока на p-n переходе:
Δn 2 x = 0 = 0
(5)
и отсутствию рекомбинации на тыльной поверхности (4).
Непрерывность концентрации избыточных носителей заряда
Δn(x,y) соответствует требованиям равенства полученных значений
70
Δn(x,y) и производных ∂Δn(x,y)/∂x и ∂Δn(x,y)/∂y на плоскости y = l
при стремлении снизу и сверху.
Решение представленной системы соответствует задаче математической физики для неодномерных структур с разрывом граничных условий на поверхности элемента при x = 0, что на практике
требует использования приближенных численных методов ее решения. При этом решение было выполнено методом конечных разностей [1] с использованием разработанной компьютерной программы.
Полученные распределения концентрации и потоков неосновных носителей заряда позволяют определить спектральные характеристики представленной мезоструктуры, включая плотность
фототока в точке с координатой y ≥ l на p-n переходе, которая определяется выражением:
jΦ ( y) = qD ⋅
∂Δn 2 ( x, y)
,
∂x
x =0
(6)
где q – заряд электрона, и значение полного фототока JΦ, А/см, приходящегося на единицу толщины фотопреобразователя в направлении, перпендикулярном сечению (рис. 1):
∞
JΦ =
∫ jΦ ( y) dy ,
(7)
l
тем самым получить основную фотоэлектрическую характеристику
исследуемой мезоструктуры – коэффициент собирания носителей
заряда к p-n переходу:
Q=
JΦ
,
qΦl
(8)
определяющий ее спектральную чувствительность.
На рис. 2 приведены рассчитанные для кремниевых мезоструктур спектральные зависимости Q(λ). Результаты представлены
для ряда значений скорости поверхностной рекомбинации S, см/с: от
0 до 106 при h = 300 мкм, l = 50мкм-, Dn = 25см2/с, времени жизни
носителей заряда τn = 105c и диффузионной длине неосновных носителей заряда в базовой области p-типа (электронов) L = 158 мкм. В
расчетах α(λ) использованы данные работы [2].
Важнейшей особенностью мезоструктуры является то, что
коэффициент собирания является практически неизменным в корот-
71
1
0,9
Lx=50
0,8
0,7
S=1e6
S=1e4
S=1e3
S=1e2
S=0
S=5e3
Q
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,25
0,35
0,45
0,55
0,65
0,75
0,85
0,95
1,05
1,15
l, mkm
Рис. 2. Спектральные зависимости коэффициента собирания носителей заряда при ширине освещаемой полосы мезоструктуры l = 50 мкм
1
0,9
Lx=25
0,8
0,7
Q
0,6
S=1e6
S=1e4
S=1e3
S=1e2
0,5
S=0
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,25
0,35
0,45
0,55
0,65
0,75
0,85
0,95
1,05
1,15
l, m km
Рис. 3. Спектральные зависимости коэффициента собирания носителей заряда при ширине освещаемой полосы l = 25 мкм
коволновой спектральной области при любых значениях S, что, в
частности, является физической основой создания высокоэффективного метода измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. Наличие максимума Q в длинноволновой области определяется соответствующим снижением влияния скорости
поверхностно рекомбинации.
Представленные данные соответствуют типичным широкозонным полупроводникам типа кремния или арсенида галлия и зави-
72
сят от конструктивных, диффузионных и рекомбинационных параметров мезоструктуры.
1
0,9
0,8
Lx=100
0,7
Q
0,6
S=1e6
S=1e4
S=1e3
S=1e2
S=0
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,25
0,35
0,45
0,55
0,65
0,75
0,85
0,95
1,05
1,15
l, mkm
Рис. 4. Спектральные зависимости коэффициента собирания носителей заряда при ширине освещаемой полосы l = 100 мкм
На рис. 3 и 4 приведены зависимости Q(λ) для значений ширины освещаемой полосы l = 25 и 100 мкм, соответственно, которые
качественно подтверждают отмеченные их характеристики.
Заключение
Представленные результаты показывают принципиальную
возможность использования мезоструктур для создания новых эффективных методов диагностики электрофизических параметров
фотогенерации и диффузии носителей заряда в объеме полупроводника и скорости их поверхностной рекомбинации.
Результаты является пригодными для всех конструктивных
параметров систем.
Литература
1. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений.
М.: Наука. 1978. - 592 с.
2. Преобразование солнечной энергии. Вопросы физики твердого тела /
Под ред. Б. Серафина. - М.: Энергоиздат, 1982. - 320 с.
73
ИЗОТИПНЫЕ КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Академик АНМ А.В. Симашкевич,
д-р физ.-мат. наук Д.А. Шербан,
канд. физ.-мат. наук Л.И. Брук, Н.Н. Курмей
(ИПФ АНМ, г. Кишинев, Молдова);
д-р техн. наук В.В. Харченко (ГНУ ВИЭСХ)
Целью настоящего сообщения являются исследования, ведущие к дальнейшей оптимизации фотоэлектрических параметров
структур ITO-SiO2-Si, изготовленных методом пульверизации и пиролиза, и получение одно- и двусторонних дешевых и эффективных
СЭ на их основе.
Состояние поверхности кремниевых пластин оказывает значительное влияние на эффективность СЭ. Повысить КПД можно
увеличением эффективной площади перехода фотовольтаического
элемента и минимизацией оптических потерь за счет уменьшения
отражения падающего излучения. Этого эффекта обычно добиваются текстурированием поверхностей посредством селективного химического травления. В результате на поверхности кремния формируются инверсные пирамиды или усеченные конусы с характерными
микронными размерами.
б
а
Рис. 1. Фотографическое изображение поверхностей пластин кремния
после химической обработки в анизотропном травителе:
а - нерегулярный рельеф поверхности; б - регулярный рельеф
поверхности
В нашем случае для увеличения эффективной площади перехода и уменьшения оптических потерь из-за отражения падающего
74
солнечного излучения рабочая поверхность пластины кремния, ориентированная в плоскости (100), была подвергнута анизотропному
травлению в кипящем 50%-ом водном растворе KOH. Продолжительность обработки составляла 60...80 секунд. Травление проводилось двумя способами для получения нерегулярного и регулярного
(упорядоченного) рельефа. Травление первым способом проводилось без предварительного создания на кремниевой поверхности
очертаний фигур для последующей ориентации процесса травления.
Результат такой химической обработки поверхности кремниевой
пластины представлен на рис. 1,а. Из рисунка видно, что рельеф поверхности является нерегулярным и неодинаковым по глубине. Глубина ямок травления колеблется в пределах 2-3μm.
Во втором случае применялся способ создания упорядоченного рельефа в виде инверсных пирамид. Результат такого процесса
травления показан на рис. 1,б. Видно, что микро структурированная
поверхность представляет собой плоскость с расположенными на
ней с гексагональным орнаментом инверсными правильными 4-хгранными пирамидами со стороной основания ~4μm и глубиной
~ 2-3μm.
Методом пульверизации и пиролиза [1] с использованием
технологий оптимизации на основе изотипной структуры ITO-nSi
были получены СЭ n+ITO-SiO2-n-n+Si с односторонней и двусторонней чувствительностью с улучшенными параметрами.
35
40
20
15
10
5
0
0.0
30
Стандартные условия
2
o
1000W/m , 25 C, AM1,5
Eff.=11,88%
20
10
Плотность тока, mA/cm
25
Плотность тока, mA/cm
2
2
30
Стандартные условия
2
o
1000W/m , 25 C, AM1,5
КПД=15,79%
Напряжение, V
0.1
0.2
0.3
0.4
0
0.0
0.5
а
Напряжение, V
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
б
Рис. 2. Нагрузочные вольтамперные характеристики
СЭ n+ITO-SiO2-n-n+Si с односторонней чувствительностью:
а - с нерегулярным рельефом поверхности пластины кремния;
б - с регулярным рельефом поверхности пластины кремния
75
На рис. 2 представлены нагрузочные вольтамперные характеристики СЭ n+ITO-SiO2-n-n+Si с односторонней чувствительностью. Нагрузочные вольтамперные характеристики и КПД измерялись в стандартных условиях АМ1,5 с помощью тестера солнечных
элементов ST 1000. Видно, что для образцов с нерегулярным рельефом поверхности пластины кремния (рис. 2,а) КПД вырос почти на
2% по сравнению с полученными ранее СЭ [1]. Заметно улучшились
и другие параметры, характеризующие качество СЭ, такие как плотность тока короткого замыкания Jsc= 34,0mA/cm2, напряжение холостого хода Uoc= 0,50V, коэффициент заполнения FF=69,3%, последовательное (Rs= 3,6Ω) и шунтирующее (Rsh= 104Ω) сопротивления. Из
рис. 2,б следует, что для образцов с рельефом поверхности пластины
кремния в виде инверсных пирамид КПД вырос более чем на 5% по
сравнению с полученными ранее нами СЭ с неструктурированной
поверхностью пластин Si [1] и превышает на 3% эффективность,
полученную в [2,3]. Остальные параметры этих СЭ составляли Jsc=
40,6mA/cm2, Uoc= 0,51V, FF = 76,5%, Rs= 3,86Ω, Rsh= 1,4·103Ω. Сравнивая фотоэлектрические параметры исследуемых СЭ, нетрудно заметить, что структура с регулярным рельефом поверхности пластины кремния имеет КПД на 4% выше, чем КПД СЭ с нерегулярным
рельефом поверхности пластины кремния.
35
Фронтальное освещение
30
КПД = 9.53%
30
25
25
10
5
0
0.0
2
20
Тыльное освещение
КПД = 6.20%
15
Стандартные условия
2
o
1000W/m , 25 C, AM1,5
10
Плотность тока, mA/cm
15
Плотность тока, mA/cm
20
2
35
Фронтальное освещение
КПД = 11.91%
Тыльное освещение
КПД = 8.98%
Стандартные условия
2
o
1000W/m , 25 C, AM1,5
5
Напряжение, V
Напряжение, V
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
а
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
б
Рис. 3. Нагрузочные вольтамперные характеристики
СЭ n+ITO-SiO2-n-n+Si с двусторонней чувствительностью:
а - с нерегулярным рельефом поверхности пластины кремния;
б - с регулярным рельефом поверхности пластины кремния
76
0.5
На рис. 3 представлены нагрузочные вольтамперные характеристики для СЭ n+ITO-SiO2-n-n+Si с двусторонней чувствительностью и разным рельефом поверхности пластины Si.
Полученные результаты позволяют заключить, что произведенная оптимизация технологии позволяет увеличивать итоговую
эффективность с 12,6% [4] до 15,73% в случае нерегулярного травления кремниевой поверхности и до 20,89% в случае регулярного
травления. Отметим также, что эффективность структур, освещаемых с тыльной стороны, составляла до 0,4 от их эффективности при
освещении с фронтальной стороны, а после структурирования поверхности пластины кремния достигает 0,75.
Исследование спектрального распределения эффективного
квантового выхода показало (рис. 4), что область чувствительности
разработанных структур расположена в интервале длин волн 350–
1200nm и не зависит от направления освещения. От этого направления зависит значение квантового выхода, максимум которого у СЭ с
нетекстурированной поверхностью пластины кремния ~0,84 в случае фронтального освещения и ~0,33 при тыльном освещении (см.
рис. 4,а). Для двусторонних СЭ с регулярным рельефом поверхности
пластины кремния в виде инверсных пирамид эти величины составляют ~0,93 и ~0,60 соответственно (см. рис. 4,б).
1.0
0.6
0.4
0.2
0.0
Квантовый выход, отн. ед.
0.8
Фронтальное освещение
Тыльное освещение
0.6
0.4
0.2
Длина волны, nm
400
0.8
Фронтальное освещение
Тыльное освещение
Квантовый выход, отн. ед.
1.0
600
800
а
0.0
1000
1200
Длина волны, nm
400
600
800
1000
1200
б
Рис. 4. Спектральное распределение эффективного квантового выхода
для СЭ n+ITO-SiO2-n-n+Si с двусторонней чувствительностью:
а - до процесса оптимизации; б - с регулярным рельефом поверхности
пластины кремния
77
Такое увеличение величины эффективного квантового выхода можно объяснить использованием в качестве поглощающей свет
компоненты кремния с повышенной (~200 μm) длиной диффузии
носителей заряда.
Выводы
Разработана методика текстурирования поверхности пластин
кремния, ориентированных в плоскости (100), с получением нерегулярного и регулярного рельефа. Для пластин с нерегулярным рельефом глубина ямок травления 2-3 мкм. Регулярная микро структурированная поверхность имеет гексагональный орнамент из инверсных
правильных 4-х-гранных пирамид со стороной основания ~ 4μm и
глубиной ~ 2-3μm, расположенных на расстоянии ~ 4μm друг от друга.
Используя текстурированные пластины кремния, изготовлены СЭ с одно- и двусторонней чувствительностью на основе структур n+ITO-SiO2-n-n+Si с изотипными переходами и с улучшенными
фотоэлектрическими параметрами.
КПД СЭ с односторонней чувствительностью и нерегулярным рельефом поверхности пластины кремния составляет 11,88%,
что на 2% выше, чем у СЭ с не оптимизированными параметрами.
КПД СЭ с односторонней чувствительностью и рельефом
поверхности пластины кремния в виде инверсных пирамид вырос с
10,1% до 15,79%, что более чем на 5% превышает эту величину по
сравнению с СЭ с неструктурированной поверхностью кремния.
Для СЭ с двусторонней чувствительностью суммарная эффективность выросла с 12,6% [4] до 15,73% в случае нерегулярного
рельефа кремниевой поверхности и до 20,89% в случае регулярного
рельефа. КПД не оптимизированных структур, освещаемых с тыльной стороны, составляет до 0,4 от их эффективности при фронтальном освещении, а после структурирования поверхности достигает
0,75.
Для структур с двусторонней чувствительностью наблюдается увеличение эффективного квантового выхода при структурировании поверхности кремния, как при фронтальном, так и при тыльном
освещении СЭ.
78
Литература
1.
2.
3.
4.
Simaschevici A., Serban D., Bruc L., Coval A., Fedorov V., Bobeico E.,
Usatii Iu. Spray deposited ITO-nSi solar cells with enlarged area. // 20th
European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain. 2005, 980-982.
Malik O., De la Hidalga-W, F.J., Zuniga –I, C., Ruiz-T, G. “Efficient ITOSi solar cells fabricated with a low temperature technology. Results and perspectives”. // Journal of non crystalline solids. 2008, 354, 2472-2477.
Malik O. & F.Javier De La Hidalga-W. Efficient Silicon Solar Cells Fabricated with a Low Cost Spray Technique. // In the book Solar Energy.
Vukovar. Croatia. 2009, с.81.
Bruk L., Fedorov V., Sherban D., Simashkevich A., Usatii I., Bobeico E.,
Morvillo P. Isotype bifacial silicon solar cells obtained by ITO spray pyrolysis. // Materials Science and Engineering. 2009, B 159–160, 282–285.
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ
ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА
Б.М. Абдурахманов, Б.Р. Кутлимуротов (ИЭ АН РУз, г.Ташкент,
Узбекистан), д-р техн. наук Ш.И. Клычев (НПО “Академприбор”, г. Ташкент, Узбекистан), канд. техн. наук М.И. Осьмаков,
канд. техн. наук Е.М. Сахаров (ООО “СЭМ”, г. Москва)
Проблема получения водорода, как источника энергии продолжает оставаться актуальной и разрабатывается в различных направлениях, в том числе в части применения для этих целей солнечной энергии. Несмотря на то, что цена водорода получаемого конверсией метана, примерно в 3-4 раза ниже, чем получаемого электролизом воды, сочетание работы топливных элементов с энергоустановками на основе солнечных (СБ) становится все более привлекательным. Интересной и практически важной особенностью при
этом является возможность комбинирования СБ со схемой распределения энергии и установкой для производства водорода таким образом, что это позволяет обеспечить потребителей электроэнергией
в течение 24 часов, т.е. и в темное время суток. В этой системе, полученный за счет излишков электроэнергии водород собирают в
накопитель, а затем в пасмурные день и в ночные часы, по мере необходимости, используют для выработки электроэнергии в водород-
79
ных электрохимических генераторах. Такая гибридная система, возможно, будет основой для будущей автономной электроэнергетики,
так как она более приспособлена для прямого использования энергии по месту выработки, с минимизацией расходов на ее транспортировку и потерь.
Одним из путей решения задачи удешевления первичной
энергии и продукта, т.е. H2 и оптимизации конструкции является
идея совмещения СБ и электролизера в одном рабочем блоке [1].
Важным обстоятельством является при этом снижение удельного
расхода солнечных элементов (СЭ), что может быть обеспечено
применением концентрированного солнечного излучения (КСИ).
В конструкции фотоэлектрических концентраторных преобразователей солнечной энергии одна из трудных проблем это теплоотвод от СЭ. В [1] описан фотоэлектрический генератор водорода
(ФГВ), в котором для охлаждения СБ было использовано непосредственно рабочее тело, т.е. разлагаемый электролит, проток которого
обеспечивался через электрохимическую ячейку, внутри которой и
была размещена СБ. Особенности конструкции этого ФГВ [1] состоят в том что:
– СБ коммутируется из концентраторных СЭ, и обеспечивает
напряжение в рабочей точке, необходимое и достаточное для процесса электролиза;
– СБ снабжается макроскопическими токосъемными контактами, характерными для сильноточных концентраторных СЭ;
– СБ монтируется непосредственно в электрохимическую
ячейку, которая выполняется с передней стенкой из прозрачного для
солнечного излучения материала;
– электрохимическая ячейка конструктивно выполняется в виде замкнутого объема, разделенного перегородкой, в теле которой
монтируется СБ, повернутая лицевой стороной к прозрачной стенке
с обеспечением электрического соединения токосъемных контактов
на своих лицевой и тыльной сторонах с рабочими электродами, контактирующими с электролитом и разделенными упомянутой выше
перегородкой;
– поверхности СБ, а также поверхность токосъемных контактов на ней снабжены покрытием, химически стойким к разлагаемому электролиту, но прозрачным для солнечного излечения;
– электрохимическая ячейка с вмонтированной СБ конструктивно размещается в фокусе концентратора солнечного излучения;
80
– поток разлагаемого электролита непосредственно используется для охлаждения СБ, для чего корпус электрохимической ячейки
снабжен не только патрубками для отвода газов из объемов, образованных перегородкой и, соответственно, окружающих лицевую и
тыльную стороны СБ, но и патрубками для организации протока
электролита через ячейку. Для этого в перегородке выполнены отверстия, и разделенную объемы ячейки, представляют собой сообщающиеся сосуды;
– наряду со стандартными, щелочными электролитами, с целью удешевления системы в целом и конечного продукта, (H2) и
снижения расходов при организации протока электролита, предлагается использовать в качестве электролитов отходы химических и
электронных производств в виде водных растворов кислот или щелочей, возникающих на операциях обработки поверхностей металлов и полупроводников, что может дать также экологически полезный эффект;
– для обеспечения работы ФГВ в пасмурную погоду, а также в
вечерние и утренние часы с малой солнечной инсоляцией, а также
для обеспечения параллельного хода процессов по получению водорода электролизом и химическим способом по типу реакции кремния с раствором щелочей, предложено снабжать электрохимическую
ячейку наряду с инертными к электролиту электродами, также и
расходуемыми электродами из кремнийсодержащих материалов.
В качестве последних предложено использовать электроды,
изготовленные из невосстановимых отходов моно-, поли- и технического кремния, специально легированные до предела растворимости,
как мелкими донорными или акцепторными примесями, так и никелем и железом, вплоть до образования в теле электрода вкраплений
ферросилиция.
Таким образом, в разработанном ФГВ [1] сочетаются процессы
традиционного электролиза воды с приемами фотолиза, конструктивная схема выбрана по типу, характерному для электрохимических фотоэлементов, а в качестве источника первичной энергии впервые используется концентрированное солнечное излучение. Это позволяет,
априори, уменьшить расход дорогостоящих СЭ, идущих на изготовление СБ, пропорционально концентрации излучения, с одновременным обеспечением высоких значений фототока в системе, а значит,
обеспечить высокую производительность генератора. В частности, в
макете ФГВ расчетный уровень КСИ составил 75.8 крат, реальный, с
81
учетом не идеальности формы отражающей поверхности концентратора- 74 крат. Ток короткого замыкания составил в этих условиях 5.3
÷ 5.5 А; а в рабочей точке при Up=2.2 В, ≈ 5 А.
На рис. 1 представлена принципиальная схема действующего
макета ФТГ, из которой следует, что изделие состоит из оптической,
фотоэлектрической и электрохимической частей, причем электрохимическая ячейка 1 конструктивно совмещена с источником электроэнергии – СБ 9, вмонтированной в саму электрохимическую
ячейку. Оптическая часть ФТГ состоит из параболического концентратора 6 солнечного излучения, Ø500 мм, установленного с возможностью юстирования на опорно-поворотном устройстве 5, в фокусе которого установлена электрохимическая ячейка с вмонтированной СБ.
Рис. 1. Общий вид ФГВ:
1
–
фотоэлектрохимическая
ячейка; 2 – патрубки для выхода
образующихся газов; 3 – патрубки
для напуска и выпуска рабочего
реагента; 4 – держатели ячейки с
элементами ее юстировки в
фокальном пятне концентратора;
5 – опорно-поворотное устройство;
6 – зеркальный параболический
концентратор; 7 – поток светового
излучения; 8 – солнечная батарея,
снабженная рабочими электродами, в том числе расходуемым
катодом,
выполненным
из
проводящего кремния
Дальнейшим развитием конструкции ФГВ явилось:
– помещение СБ в отдельную герметичную ячейку с прозрачной стенкой заполненную жидкостью с коэффициентом преломления выше чем у электролита;
– выполнение расходуемого кремниевого электрода не цельным, что вызывало трудности при придании ему сложной формы, а
сформированным из тех же кремнийсодержащих материалов, но в
порошкообразном состоянии;
82
– применение в качестве преобразователя КСИ СБ сформированную не из единичных СЭ, а из матричных или наборных элементов типа “Фотовольт”, в том числе и оригинальной конструкции с
прозрачными контактными прослойками между дискретными элементами в спайке [2]. Эти мероприятия позволили оптимизировать
ячейку ФГВ, эскиз которой приведен на рис. 2.
Рис. 2. Разрез модернизированной фотоэлектрохимической ячейки:
1 – корпус; 2, 4 – прозрачные стенки; 3 – СБ из СЭ “Фотовольт”;
5 – перегородка; 6 – водородный электрод, окружённый кремниевым
порошком 12; 7 – кислородный электрод; 8 – электролит; 11 – теплопроводная, диэлектрическая жидкость с коэффициентом преломления
больше чем у электролита 8
На рис. 3 а, б приведены нагрузочные характеристики примененных элементов “Фотовольт”, различного типа в сопоставлении с
таковой для стандартного СЭ (кривая 1(а)) при P= 850 Вт/м2.
83
а
б
Рис. 3. Нагрузочные ВАХ элементов “ Фотовольт ” с различным
числом p-n переходов, кривые: 2(а) – 5; 3(б) – 25; 4(б) – 45 в сопоставлении с характеристикой обычного Si СЭ, кривая 1(а)
В рабочем режиме, т.е. при облучении КСИ и нахождении СБ
в электрохимической ячейке, т.е. с учетом всех световых потерь
КСИ при прохождении окон 2 и 4 а также толщи электролита 8 и
жидкости 11 (рис. 2) рабочий ток единичного СЭ (кривая 2, рис. 3)
размером 5.5×6.5 мм2 составляет I= 55 мА при напряжении U= 2.5 В.
Минимизация световых потерь в ячейке компенсируется реализацией, обнаруженного в [3], эффекта роста яркости излучения при прохождении сред с разной оптической плотностью, а также добавкой в
жидкость 11 красителей, меняющих ее цвет на более близкий по
длине волны к максимуму спектральной чувствительности СЭ.
Литература
Абдурахманов Б.М., Аладьина З.Н., Анарбаев А.И., Захидов Р.А., КадыровА.Л. Фотоэлектрический топливный генератор водорода // Гелиотехника, 2006, № 3, с. 18 – 23.
2. Абдурахманов Б.М., Байдаков С.Г., Соловейчик В.И., Чирва В.П.. Модули и элементы солнечных фотоэлектрических станций с концентрацией излучения. Ташкент: ФАН, 1993. - 200 с.
3. Бахрамов С.А., Клычев Ш.И., Харченко В.В. Повышение эффективности систем концентратор – фотопреобразователь. // Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и
энергосбережение в сельском хозяйстве» (18-19 мая 2010 г., г. Москва,
ГНУ ВИЭСХ). Ч. 4. Возобновляемые источники энергии. Местные
энергоресурсы. Экология. Москва. 2010. С. 93-97.
1.
84
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
Д-р техн. наук С.К. Шерьязов, асп. А.Ю. Семенов
(ЧГАА, г. Челябинск)
Проблема обеспечения доступной электроэнергией является
актуальной задачей в условиях постоянно возрастающего дефицита
ископаемых ресурсов. Одним из наиболее перспективных вариантов
решения данной проблемы является использование возобновляемых
источников энергии. Наиболее универсальным и доступным энергетическим ресурсом является солнечное излучение.
Поступающая солнечная энергия существенно зависит от
времени года и носит случайный характер. Поэтому в системе энергоснабжения предлагается комбинировать солнечную преобразовательную установку с традиционным источником энергии [1].
Большие перспективы для данных преобразовательных установок открываются в области сельского хозяйства, они позволяют
создавать автономные энергетические установки. При этом большой
интерес представляет энергосистема, состоящая из солнечного двигателя Стирлинга, солнечных концентраторов и коллекторов. Данная система работает совместно с автономным источником на органическом топливе, что обеспечивает надежность электроснабжения.
Показателем эффективности предлагаемой энергосистемы
является коэффициент преобразования солнечной энергии в электричество. КПД рассматриваемой энергосистемы представляется как
где
,
(1)
- КПД двигателя Стирлинга;
– КПД электрического
– КПД солнечного коллектора.
генератора;
КПД двигателя Стирлинга можно определить по выражению
[2]
,
(2)
где
– температура нагревателя;
теля.
85
– температура охлади-
В качестве солнечных коллекторов рассматриваются вакуумные коллекторы, КПД которых можно определить как [3]:
,
(3)
– расчётное значение КПД, η0 – оптический КПД усгде
тановки при нормальных условиях, k – произведение коэффициента
эффективности, поглощающей панели, при нулевой скорости ветра,
и общего коэффициента тепловых потерь коллектора, Bт/(м2 0К),
ΔT – разность температур теплоносителя и окружающего воздуха,
E – интенсивность солнечного излучения (Вт/ м2).
Значения оптического КПД и коэффициента тепловых потерь приведены в табл. 1.
Таблица 1. Значения оптического КПД и коэффициента тепловых
потерь k [4]
Экономический эффект от применения таких комбинированных установок достигается за счет экономии топлива и, соответственно, финансовых затрат. При определенных условиях подобная
система экономически целесообразна, чем строительство централизованной системы электроснабжения.
Для оценки экономической эффективности предлагаемой энергосистемы, путем расчета срока окупаемости, произведены необходимые расчеты в условиях Южного Урала. Для проведения расчета необходимо знать расчетную нагрузку и поступающую солнечную энергию.
В качестве примера, расчет энергосистемы произведем для
потребителя с расчетной нагрузкой 10 кВт. Интенсивность солнечной энергии рассмотрим для шести месяцев, так как изменение поступающей энергии происходит по параболической зависимости,
симметрично относительно данных для июня. Расчетные значения в
12 часов дня приведены в табл. 2 [1].
Для расчета КПД двигателя Стирлинга, пусть температура
нагревателя превышает температуру охладителя в два раза. При
этом КПД ее составит 35%. Когда двигатель Стирлинга работает
совместно с асинхронным генератором, имеющим КПД 80%, КПД
энергетической установки Стирлинг-генератор составит 28%.
86
Таблица 2. Средняя интенсивность солнечного излучения
в условиях Южного Урала Вт/м2 в 12 часов дня
Время
12
I
102
Месяц
III
IV
408
530
II
255
V
561
VI
714
КПД вакуумного коллектора зависит от температуры теплоносителя и в течение дня не остается постоянной. Наибольшее значение ожидается в полдень, когда интенсивность солнечной энергии
максимальная (табл. 3).
Таблица 3. Расчетный КПД солнечных вакуумных коллекторов, %
Время
12
I
64,2
II
64, 7
Месяц
III
IV
64,8
64,9
V
64,9
VI
64,9
При заданных значениях КПД коллектора можно определить
расчетную площадь солнечных концентраторов и коллекторов. Параметры солнечного концентратора определяется по необходимой
температуре теплоносителя на выходе солнечного коллектора, необходимой для работы двигателя Стирлинга.
Площадь солнечных коллекторов рассчитывается по формуле:
,
(4)
Результаты расчета приведены в таблице 4.
Таблица 4. Расчетные площади солнечных коллекторов
Месяц
S, м2
I
430
II
222
III
138
IV
106
V
100
VI
78
Из приведенных данных видно, что потребная площадь коллекторов изменяется в широких пределах. Поэтому выбор оптимальной площади солнечного коллектора является важной задачей.
Годовая выработка энергии солнечной установкой
.
,
(5)
где
– годовая выработка энергии, Вт⋅ч;
2
ма поступающей солнечной энергии, Вт⋅ч/м .
87
– годовая сум-
Годовая выработка определяется на основе почасовых значений вырабатываемой энергии. Если расчетная выработка превышает
потребляемую энергию, значение выработки считаем в этот час равным потребляемой, излишки энергии теряются.
Для оценки годовой экономии финансовых средств необходимо знать стоимость энергии, получаемой традиционным путем, в
расчете принят 5 руб./кВт.ч. Для определения срока окупаемости
капиталовложении необходимо знать затраты на солнечные вакуумные коллекторы и концентраторы (в примере расчета принимаем
удельные затраты равной 10000 руб./м2) и на двигатель Стирлинга
(удельные затраты приняты 40000 руб./кВт). Результаты расчетов
приведены в табл. 5.
Таблица 5. Сроки окупаемости расчетной площади коллектора
Площадь, м2
Срок окупаемости,
лет
430
222
138
106
28,6 18,6 15,4 14,8
100 78
15
16
Как видно из таблицы, минимальный срок окупаемости соответствует расчетной площади 138 м2. При увеличении стоимости
замещаемой электроэнергии, срок окупаемости уменьшается.
Таким образом, результаты расчета показывает перспективность применения солнечной энергосистемы с использованием двигателя Стирлинга. Для эффективного электроснабжения необходимо
оптимизировать параметры энергосистемы, с учетом особенности
поступления и режима потребления после преобразования солнечной энергии.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
Шерьязов С.К. Возобновляемые источники в системе энергоснабжения
сельскохозяйственных потребителей: Монография. - Челябинск:
ЧГАУ, 2008. - 300 с.
Уокер М. Двигатель Стирлинга. – М.: Машиностроение, 1985.
http://www.energy-sun.com.ua/pages/principyi-nagreva-ot-solnca.html.
http://clck.ru/W/UviP.
http://om-tech.ru/index.php/prices/china-production.
88
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВНОГО
ПАРАБОЛОТОРИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Канд. техн. наук В.А. Майоров, асп. В.А. Панченко
(ГНУ ВИЭСХ)
При использовании параболоидных концентраторов можно
отметить некоторые недостатки при работе их совместно с фотоэлектрическим приёмником, а именно затемнение площади концентратора
фотоприёмником, сложность фокусировки, неравномерность засветки, потери на рабочей поверхности концентратора (рис. 1).
Распределение освещенности в фокальном пятне на м-ф расстоянии
28 см
12
Ток ФИППИ, мкА
10
8
J,μА(верт)
6
J,μА(гор)
4
2
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
Координатная ось, см
Рис. 1. Фотоэлектрический кремниевый модуль в составе с параболоидным концентратором солнечного излучения и распределение
освещенности, измеренное датчиком освещенности в фокальном пятне
концентратора d=0,5м по координатным осям на фокусном
расстоянии 28 см
Из приведенного распределения видно (рис. 1), что в центре
фокального пятна в пределах 3-4 см распределение достаточно однородно, а с увеличением размеров в пределах 8-9 см распределение
освещенности изменяется в 1,5 раза.
В составе с параболоидным концентратором солнечного излучения возможна более эффективная работа и двигателя Стирлинга (рис.
2), т.к. в зависимости от конструкции концентратора возможен оптимальный нагрев рабочего тела в цилиндре. Концентратор фокусирует
солнечную энергию на фотоприёмник (нагреватель) двигателя Стирлинга, нагревая его до температуры более 400°С, таким образом нагревая рабочее тело до температуры, необходимой для стабильной работы
при условии охлаждения воздуха в радиаторе до температуры не выше
89
50°С. Таким образом, регулируя разность температур, возможно регулирование мощности двигателя Стирлинга.
Рис. 2. Двигатель Стирлинга в составе с параболоидным
концентратором
С целью увеличения КПД имеющегося двигателя Стирлинга и
возможности создания на его основе комбинированной когенерационной электроустановки с высоковольтными фотопреобразователями,
его конструкция была дополнена водяным охлаждением в виде водяной рубашки - посадочной поверхностью фотоэлементов (рис. 3).
Рис. 3. Двигатель Стирлинга с водяной рубашкой
Cравнительные характеристики применения различных рабочих тел в двигателе Стирлинга по Мейеру [1] показывают, что при
высоких значениях удельной мощности двигателей Стирлинга и высоких частот вращения водород как рабочее тело значительно пре-
90
восходит гелий, а кривая для воздуха далеко отстаёт от кривых водорода гелия. Однако при низких частотах и низкой удельной мощности существенного различия между воздухом, гелием и водородом нет (рис. 4).
Рис. 4. Сравнительные характеристики двигателей Стирлинга
с различными рабочими телами: воздухом, гелием и водородом
(по Мейеру, 1970 г.)
Можно сделать вывод, что при использовании двигателя в
маломощных установках не целесообразно усложнять конструкцию
и уплотнения, а также использовать дорогостоящие газы, когда
можно обойтись использованием атмосферного воздуха, который
распространён повсеместно.
При меньших требованиях к мощности, КПД и габаритам
целесообразно использование воздуха в качестве рабочего тела. В
последнее время существует растущий спрос на маломощные двигатели с высокой надёжностью и способных длительное время работать автономно от различных источников энергии. Потребность в
таких двигателях ощущается в системах навигации, метеорологии и
дальней связи, где они могут быть использованы в качестве привода
для электрогенераторов (рис. 5).
Рис. 5. Двигатели Стирлинга с рабочим телом воздух
91
С целью анализа и решения конструктивных задач, было
проведено математическое моделирование и создан алгоритм расчёта параболоторического концентратора с равномерной освещённостью по окружности цилиндрического приемника (рис.6), на основании которых можно проводить анализ энергетических характеристик солнечных батарей различных типов и режима работ.
Распределение освещенности в фокальном пятне, Kn
16,000
Концентрация, крат
14,000
12,000
10,000
8,000
Ряд1
6,000
4,000
2,000
0,000
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
Ширина фокального пятна, отн.ед.
Рис. 6. Пример расчетного профиля параболоторического концентратора, обеспечивающего равномерное осевое распределение на цилиндрическом приемнике радиусом 45 мм, высотой 55 мм и график распределения концентрации освещенности на приемнике модуля по ширине
фокального пятна
Распределение концентрации солнечного излучения на цилиндрическом фотоприемнике по ширине фокального пятна (рис. 6)
создает благоприятные условия для работы высоковольтных солнечных элементов в составе с параболоторическим концентратором.
Одной из главных задач является расчёт и изготовление концентратора с оптимизированными конструктивными и энергетическими параметрами, работающего в составе с конкретным двигателем Стирлинга. В связи с этим произведён расчёт конструкции параболоторического концентратора, работающего в составе с цилиндрическим фотоприёмником (нагревателем) двигателя Стирлинга, а
также полосой высоковольтных солнечных элементов определённых
заданных размеров.
Пример расчета распределения концентрации освещенности
на цилиндрическом приемнике и зависимость распределения углов
падения солнечного излучения на боковую поверхность цилиндра
(рис. 7). Отклонение распределения концентрации освещенности и
углов падения солнечного излучения на цилиндрическом приемнике
лежит в пределах 20%, что создаёт практически равномерные условия для засветки фотоэлементов.
92
Распределение углов падения солнечного излучения
на боковую поверхность цилиндра размером D=120 мм,
ho=60 мм.
10,00
100,0
8,00
80,0
6,00
Kn
4,00
2,00
0,00
0,000
Угол, град.
Концентрация, крат.
Распределение освещенности по боковой поверхности
цилиндра размером D=120 мм, ho=60 мм.
60,0
40,0
20,0
δn=αo-αn,град
0,0
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
0
Ширина фокального пятна, отн.ед.
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Ширина фокального пятна, отн.ед.
1,2
Рис. 7. Распределение освещённости и углов падения на боковой
поверхности цилиндра охлаждающей водяной рубашки
На основании математического моделирования и создания
алгоритма расчёта параболоторического концентратора с равномерной освещённостью по окружности цилиндрического приемника,
были рассчитаны геометрические характеристики концентратора
энергоустановки с фотоэлементами.
После расчёта профиля параболотороида была создана выкройка сегментарного элемента – лепестка, для последующего вывода на печать и изготовления из тонкого светоотражающего листа
алюминия (рис. 8).
Рис. 8. Выкройка лепестка и вывод на печать в Autocad
Рис. 9. Изготовленный из 12-ти лепестков параболоторический
концентратор с равномерной освещённостью в фокальном пятне
93
После изготовления 12-ти лепестков и соединения их между
собой, т.е. в параболотороид (рис. 9), были визуально оценены отражающие и фокусирующие характеристики собранного концентратора.
Конструктивно изменённый двигатель Стирлинга был помещён в фокус уже разработанного и изготовленного составного параболотороида (рис. 10).
Рис. 10. Макет на основе двигателя Стирлинга и параболоторического
концентратора
После некоторых доработок эту конструкцию можно позиционировать как макет и далее электроустановку.
Вывод
На основании расчетных характеристик произведён сравнительный анализ параметров и выбор конструкции концентратора для
двигателя Стирлинга и высоковольтных фотоэлементов. После математического моделирования и изготовления выкройки, был изготовлен лепесток (сегмент) концентратора и далее собран параболоторический солнечный концентратор в установке с двигателем
Стирлинга.
1.
Литература
Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга: Пер. с анг.: – М.:
Энергия, 1978. – 152 с. С. 52-55.
94
МАТРИЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СОСТАВЕ
СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЗАТВОРАМИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ
КЛЮЧЕЙ
Академик Россельхозакадемии Д.С. Стребков, В.З. Трубников
(ГНУ ВИЭСХ)
Одной из особенностей устройств управления затворами
МОП или МОПБТ транзисторов является то, что при постоянном
напряжении на затворе по отношению к истоку у МОП транзисторов
или на затворе по отношению к эмиттеру у МОПБТ транзисторов,
через затвор протекает незначительный ток, поскольку затворы с
силовой частью конструкции транзисторов образуют электрическую
емкость.
Скорости заряда этой емкости при включении транзистора и
разряда при его выключении, во многом определяют быстродействие, а так же величину электрических потерь при переключениях, а,
следовательно, и КПД переключения транзисторов. Таким образом,
основным требованием, предъявляемым к устройствам управления
затворами МОП и МОПБТ транзисторов, является способность источника сигнала управления обеспечить форсированный подъем напряжения на затворе при включении и такой же форсированный
спад напряжения, часто с «заходом» в область отрицательных значений, при выключении транзистора.
Другой особенностью устройств управления затворами МОП
и МОПБТ транзисторов является необходимость обеспечения гальванической развязки между устройством управления и силовой частью управляемого транзистора.
Решение этих двух задач одним устройством довольно проблематично и поэтому часто их решают раздельно.
Например, используют схемы управления затворами МОП и
МОПБТ транзисторов с разделением цепей передачи энергии питания для управления затвором и цепей передачи управляющей ин-
95
формации с помощью оптронов диодного или транзисторного типа.
В этом случае энергообеспечение осуществляется либо путем применения изолированной батареи гальванических элементов или аккумуляторов, либо путем преобразования энергии первичных источников питания, как от сети переменного тока, так и от источников постоянного тока [1], [2].
Иногда для управления затворами МОП и МОПБТ транзисторов с раздельной передачей энергии питания управляющую информацию развязывают по потенциалам с помощью оптронов, а
энергоснабжение обеспечивают за счет преобразования электроэнергии из выходной цепи МОП или МОПБТ транзистора [3], [4]. В
этом случае проблемы создаёт температурная нестабильность оптронной развязки и снижение выходного напряжения с ростом
скважности импульсов управления, а так же возможность возникновения в цепях управления затворами помех, исходящих из выходной
цепи управляемых транзисторов.
В данной работе предлагается схема совместной передачи
управляющей информации и энергии для управления затвором МОП
транзисторов с помощью потока света. Для этого между источником
и приемником управляющей информации и энергии управления создаётся беспроводной энерготранспортирующий канал в светопроводящей среде электроизоляционного стержня путем размещения на
нем с одной стороны мощного светодиода (СД), с другой стороны,
матричного солнечного элемента (МСЭ) [5]. При помощи СД в направлении к МСЭ в стержне возбуждают световой поток, энергия
светового потока преобразуется в МСЭ в энергию электрического
тока, с помощью которой питаются цепи затворов. При этом управляющая информация кодируется путем изменения соотношения
времён включенного и выключенного состояний светодиода.
На рис. 1 представлена принципиальная схема устройства,
объясняющая принцип питания и управления затворами МОП транзисторов. Схема содержит источник питания 1, соединенный через
ключ 2 с СД 3, излучение 6 которого через торец 4 светопроводяще-
96
го стержня 5 из электроизоляционного материала проходит вдоль
стержня 5 и через торец 7, противоположный к торцу 4, падает на
МСЭ 8, генерирующий электрическую энергию. Ток МСЭ заряжает
затвор 9 МОП транзистора 10. Разрыв цепи питания СД 3 с помощью ключа 2 приводит к прекращению тока через СД 3, исчезновению светового потока 6 в стержне 5, прерыванию процесса генерации тока и напряжения в МСЭ 8, релаксации электрического заряда
на затворе 9 МОП транзистора 10 и, как следствие, закрыванию
транзистора 10. Для задания необходимой траектории рабочей точки
потенциала затвора в составе схемы имеется резистор 12. В цепи
коллектора транзистора включена нагрузка 11. Величина электрического тока через СД задаётся регулирующим резистором 13.
Рис. 1. Принцип работы схемы управления затвором МОП
транзистора
Произведено натурное моделирование. В качестве силового
твёрдотельного ключа использован МОПБТ-транзистор. Управление
и питание цепей затвора осуществлено с помощью трёх светопроводящих стержней длиной 100 мм с установленными на их торцах светодиодами и матричными солнечными элементами. Увеличение количества питающих каналов потребовалось по той причине, что для
управления затвором применённого ключа требовался знакопере-
97
менный потенциал, и для открывания затвора потребовалось применить суммарный потенциал двух МСЭ.
UCE
UGE
a
UCE
UGE
б
Рис. 2. Осциллограммы напряжений на затворе (UGE) и коллекторе
(UCE) транзистора по рис. 1: а - вертикальными маркерами осциллографа показано время включения коллекторного тока (40 мксек);
б - вертикальными маркерами осциллографа показано время разряда
затвора (80 мксек)
98
В качестве мощного светодиода применён светодиод
HPR20Д 19К10NWG Д. В качестве транзистора в макетном образце
светосилового управления затвором транзистора применён один из
транзисторов инверторного мостового модуля MHPM6B25A120SL
(фирма Motorola).
На рис. 2 показаны осциллограммы напряжений на затворе
(UGE) и коллекторе (UCE) по отношению к эмиттеру, измеренные на
макетном образце светосилового оптронного переключателя.
Частота переключений 1 кГц. На кривых UGE хорошо просматриваются участки нарастания и стабилизации электрических
полей в изолирующем слое транзистора при его переключении. Все
переходные режимы у транзистора протекают штатно.
Приведённые в работе результаты более, чем убедительно
доказывают, что светосиловой способ питания и управления затворами силовых ключей может успешно использоваться в схемах силовых преобразователей.
По аналогии с оптронами, используемыми для передачи информации для светосиловой ячейки «СД – световод – МСЭ» напрашивается название «силовой оптрон», или «высоковольтный оптрон».
Несмотря на то, что статья посвящена проблеме светосилового управления затворами МОП и МОПБТ транзисторов, авторы не
видят принципиально неразрешимых ограничений в применении
высоковольтных оптронов для управления полевыми затворами
твердотельных ключей иных типов, таких как полевые тиристоры
МСТ, а так же МОПБТ транзисторы с улучшенной инжекцией. Эти
твердотельные коммутационные приборы находят применение в
энергетических установках высоковольтных линий передач постоянного тока, сверхмощных электроприводах и системах электрифицированного транспорта, в силовых инверторах для различных технологических установок, как в промышленности (сварка, индукционный нагрев и пр.), так и в сельском хозяйстве (электроискровая
прополка сорняков, сушильное оборудование и др.), где требуются
мощности в сотни киловатт и единицы мегаватт [6].
99
Выводы
Мощные высоковольтные оптроны в виде пар «мощный светодиод – матричный солнечный элемент» могут быть использованы
в твердотельных реле с выходными ключами, выполненными на полевых МОП или МОПБТ транзисторах без использования дополнительного источника питания в цепях управления транзисторами.
Массовое применение высоковольтных оптронов на основе СД МСЭ может быть обеспечено при замене электромагнитных реле и
пускателей на силовые оптоэлектронные коммутаторы.
Основные преимущества оптоэлектронных коммутаторов на
основе СД - МСЭ:
• высокая надежность, в связи с отсутствием механических контактов;
• неизменное переходное сопротивление в течение всего срока
службы;
• отсутствие дребезга контактов, из-за их отсутствия;
• отсутствие акустического шума;
• совместимость по цепям управления с логическими микросхемами;
• высокая электрическая прочность между цепями управления и
силовыми цепями;
• высокое быстродействие;
• устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей
(помехоустойчивость);
• малое удельное энергопотребление (отношение энергии управления к управляемой энергии).
Литература
1.
2.
3.
4.
Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника:
учебник для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. С. 104, 461,
499.
Каталог фирмы International Rectifier (IR), http://www.irf.com/.
Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. – М.: Издательский дом Додека XXI, 2001.
С. 222, 102 110, 188 195.
Каталог фирмы «Протон», http://www.proton orel.ru/.
100
5.
6.
Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. В трех томах. Том 3. –
М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. С. 138.
Стребков Д.С., Королёв В.А., Молоснов Н.Ф., Топорков В.Н. Электрифицированная система в растениеводстве – направление технологической модернизации сельского хозяйства. История и перспективы (К 80летию ВИЭСХ) // Вестник ВИЭСХ. Вып. 1(5). М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010.
МАТРИЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
КОНЦЕНТРИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Академик Россельхозакадемии Д.С. Стребков, канд. физ.-мат.
наук Ю.Д. Арбузов, д-р физ.-мат. наук В.М. Евдокимов, канд.
техн. наук В.А. Майоров, В.И. Поляков, канд. физ.-мат. наук
Л.Д. Сагинов (ГНУ ВИЭСХ)
Роль солнечной энергии в энергетике будущего определяется
возможностями промышленного использования новых физических
принципов, технологий, материалов и конструкций солнечных элементов, модулей и электростанций, разработанных в России.
Поэтому актуальной является задача, во-первых, повышение
генерируемого фотопреобразователем напряжения, что в значительной степени упрощает конструкцию электротехнических блоков,
обеспечивающих преобразование фотоэлектричества в электроэнергию, удовлетворяющую принятым ГОСТами по напряжению, частоте и т.д. и, во-вторых – снижение себестоимости вырабатываемой
электроэнергии за счет использования концентрированного солнечного излучения.
Максимальный достигнутый в лаборатории КПД солнечных
элементов (СЭ) на основе каскадных гетероструктур составляет
42%, для СЭ из кремния 24%. Практически все заводы в России и за
рубежом выпускают солнечные элементы с КПД 14-17%.
В ГНУ ВИЭСХ созданы новые конструкции и технологии
производства солнечных элементов из кремния, позволяющие производить СЭ с КПД 20% при работе с концентраторами солнечного
излучения.
Достоинством матричного солнечного элемента (МСЭ) [1].
на основе многослойных фотоэлектрических структур, в отличие от
планарных СЭ из кремния, является, также, повышение его КПД в
101
концентрированном свете со степенью концентрации до нескольких
сотен крат.
В процессе решения задачи по созданию СЭ для экономичных солнечных энергетических установок было найдено решение,
которое позволило не только повысить удельную мощность СЭ при
работе с концентратором, но и разработать серию принципиально
новых СЭ на основе матриц из монокристаллического кремния,
имеющих в различных вариантах конструктивного исполнения:
- линейную зависимость фототока и мощности в широких
пределах изменения освещенности;
- высокое напряжение на единицу площади;
- повышенную спектральную чувствительность в инфракрасной области спектра, в том числе обладающие избирательной
чувствительностью в этой области.
Доклад посвящен исследованию особенностей конструкции,
технологии изготовления, параметров и характеристик матричных
МСЭ, возможности использования их в солнечных батареях с концентраторами.
Экспериментальные образцы были изготовлены из пластин
кристаллического кремния марки КЭФ-4,5 с удельным сопротивлением ~ 4-5 Ом⋅см. Толщина пластины 0,3-0,33 мм.
МСЭ на основе многослойных структур из кремния имеют
низкий уровень омических потерь, что позволяет в условиях стабилизации температуры достигать роста величины КПД по мере увеличения концентрации солнечного излучения вплоть до концентрации в несколько сотен крат.
Такой тип МСЭ имеет рабочую поверхность с неоднородной
фоточувствительностью. Вблизи места выхода р-п перехода на поверхность фоточувствительность максимальна, а на удалении от
плоскости р-п перехода, превышающем ширину области обёмного
заряда р-п перехода, фоточувствительность снижается, что связано с
влиянием поверхностной рекомбинации генерированных светом носителей заряда. Поэтому решающее влияние на эффективность МСЭ
оказывает качество пассивации рабочей поверхности, определяемое
методами её обработки.
МСЭ используется в солнечных энергетических установках после герметизации в фотоэлектрическом кремниевом модуле
(ФКМ). Это обусловлено необходимостью снижения воздействия
102
внешней среды на МСЭ и продления тем самым его срока
службы.
Таким образом, для исследований и испытаний использовался новый с точки зрения конструкции и технологии изготовления фотоэлектрический кремниевый модуль на основе
МСЭ.
Использование концентраторов [2-5] в составе солнечных
энергетических установок (СЭУ) или солнечных фотоэлектрических
электростанций (СФЭС) является наиболее эффективным путём
снижения стоимости фотоэлектрической энергии. Применение концентраторов позволяет заменить площадь дорогостоящих ФКМ на
более дешёвые поверхности концентраторов, которые являются оптическими устройствами, позволяющими собирать солнечное излучение с поверхности входа излучения на меньшую поверхность выхода излучения из концентратора, где установлены ФКМ.
На рис. 1 показан общий вид ФКМ размером 10 × 60 × 0,4
мм, содержащего 25 микроэлементов. Общая ширина контактов всех
солнечных микроэлементов на рабочей поверхности составила
150 мкм.
Рис. 1. Фотоэлектрический кремниевый модуль на основе
матричных солнечных элементов в оболочке из стекла. Размеры
ФКМ 10 × 60 × 0,4 мм, 25 солнечных микроэлементов
На рис. 2 представлены вольтамперные характеристики
ФКМ размером 10 × 10 × 0,4 мм при натурных испытаниях. Суммарная освещенность на поверхности фотопреобразователя измерялась с помощью пиранометра типа «PELENG», прошедшего поверку
в Метеорологической Обсерватории МГУ им. М.В. Ломоносова.
103
ВАХ МСЭ №// S=1см2.26.01.12. 14,05 ч.;Твозд. 12 гр.С; Ео=785 Вт/м2.
1,40
1,20
Ток,мА
1,00
0,80
Ряд1
0,60
0,40
0,20
0,00
0,00
5,00
10,00
Напряжени,В
15,00
20,00
Рис. 2. ВАХ ФКМ размером 10 × 10 × 0,4 мм при интенсивности
излучения 785 Вт/м 2
На рис. 3 приведена зависимость тока к.з. от интенсивности
излучения при исследовании на имитаторе солнечного излучения в
условиях освещения импульсной ксеноновой лампой.
Рис. 3. Зависимость тока к.з. ФКМ от интенсивности излучения
Представленная характеристика показывает линейную зависимость тока к.з. ФКМ от интенсивности излучения, что имеет важное практическое значения для определения концентрации падающего излучения на поверхность фотопреобразователя по соотношению фототоков.
Спектральная чувствительность ФКМ в коротковолновой и
длинноволновой области существенно (на 30%) превысила чувствительность планарных кремниевых СЭ (рис. 4).
104
Рис. 4. Спектральные характеристики: 1 – ФКМ на основе матричных
солнечных элементов, 2 – планарный солнечный элемент
Использование концентраторов в составе СФЭС снижает
стоимость солнечной фотоэлектрической энергии, увеличивает КПД
ФКМ за счёт эффекта повышения напряжения при концентрированном излучении, увеличивает КПД СФЭС за счёт возможности одновременного использования электричества и тепла (отводимого от
охлаждаемых ФКМ), создаёт возможность резкого наращивания
объёмов производства СФЭС без дополнительного увеличения производства ФКМ.
Необходимо учитывать следующие факторы при выборе
концентраторов: минимальную стоимость модуля; обеспечение максимальной эффективности преобразования за счёт правильного освещения ФКМ; обеспечение температурных условий ФКМ; максимальное упрощение системы слежения за положением Солнца
вплоть до использования стационарных концентраторов; упрощение
операции сборки модуля и его монтажа в составе СФЭС; взаимозаменяемость модулей.
К настоящему времени разработано и исследовано большое
количество концентраторов различного типа. Теоретические оценки
показывают, что у параболоидных концентраторов предельные степени концентрации могут доходить до 103 - 104.
С целью исследования работы ФКМ с концентраторами в
ВИЭСХЕ разработана установка для измерения фотоэлектрических
и световых характеристик фотопреобразователей при освещении
концентрированным импульсным излучением представленная на
рис. 5.
105
Рис. 5. Установка для измерения фотоэлектрических и световых
характеристик фотопреобразователей при освещении
концентрированным импульсным излучением
Установка предназначена для измерения вольтамперных,
люкс-амперных и люкс-вольтных характеристик фотопреобразователей при импульсном концентрированном освещении и КПД фотопреобразователей.
Исследуемый фотопреобразователь освещается импульсным
имитатором концентрированного солнечного излучения, в качестве
которого используется ксеноновая лампа-вспышка с длительностью
вспышки около 5 мс. Концентрация излучения вспышки может изменятся за счет изменения расстояния от предметного столики до
лампы или использования дополнительных диафрагм.. Диапазон
изменения концентраций от 5 до 100 солнечных интенсивностей
(или 0,5 – 10 Вт/см2).
За время вспышки снимается до 2 млн. точек вольтамперной
характеристики фотопреобразователя в автоматическом режиме. В
качестве нагрузки используется генератор тока с линейной разверткой во времени. Скорость развертки тока регулируется ступенчато
от 0,01 до 1,0 А/мс.
Регистрирующей системой является цифровой запоминающий осциллограф ОЦЗС-02 (1000USB)-6 с монитором, позволяющий записывать до 6 одновременно измеряемых параметров.
Возможно также проводить измерения световых характеристик фотопреобразователей в отдельной точке характеристики.
Люкс-амперные и люкс-вольтные характеристики строятся
после серии измерений вольтамперных характеристик при различных концентрациях излучения.
106
Параметры фотопреобразователя, такие как КПД, коэффициент заполнения вольтамперной характеристики, последовательное и
шунтовое сопротивление, могут быть вычислены по измеренной
вольтамперной характеристике.
На рис. 6 представлена ВАХ ФКМ размером 10×10×0,4 мм
при интенсивности излучения 64,7 кВт/м2 .
Рис. 6. Вольтамперная характеристика ФКМ размером 10×10×0,4 мм
при интенсивности излучения 64,7 кВт/м 2
При концентрированном импульсном излучении с плотностью потока 64,7 кВт/м2 КПД ФКМ площадью 1 см2 составил
25,1%, рабочее напряжение 18,49 В, рабочий ток 0,971 А, фотоэ.д.с. 22,11 В; электрическая мощность равна 17,95 Вт. Эта характеристика практически совпадает с ВАХ фотоэлектрического
модуля со стандартными планарными СЭ суммарной площадью 0,12
м2, измеренной на имитаторе при интенсивности излучения 1 кВт/м2
и температуре 25 о С. При этом площадь традиционного модуля в
1000 раз больше площади ФКМ третьего поколения, что соответствует практически 1000-кратному сокращению расхода
кремния на единицу мощности.
107
Выводы
1. Разработана конструкция и технология изготовления фотоэлектрических кремниевых модулей третьего поколения для солнечных электростанций с концентраторами.
2. Разработана конструкция и технология герметизации модулей многослойных фотоэлектрических структур. Проведенные
ускоренные испытания изготовленных экспериментальных образцов
по разработанной методике подтвердили прогнозируемый срок
службы 40 лет.
3. В результате проведения испытаний солнечных фотоэлектрических кремниевых модулей, на разработанной в ВИЭСХе установке для измерения фотоэлектрических и световых характеристик
фотопреобразователей при освещении концентрированным импульсным излучением показана принципиальная возможность работы в составе фотоэлектрических концентраторных модулей различных концентраторов и МСЭ, разработанных и изготовленных ГНУ
ВИЭСХ.
4. Исследованы электрические и спектральные характеристики фотоэлектрических кремниевых модулей. КПД на уровне 21%
получен при натурных испытаниях и на уровне 25% при интенсивности излучения 64,7 кВт/м2.
1.
2.
3.
4.
5.
Литература
Стребков Д.С.. Матричные солнечные элементы. В 3-х томах. М.: ГНУ
ВИЭСХ, 2009.
Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007.
Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М. Основы фотоэлектричества. М.: ГНУ
ВИЭСХ, 2007.
Майоров В.А., Стребков Д.С. Исследование работы модулей солнечных батарей с линзами Френеля. // Труды 7-й Международной научнотехнической конференции «Энергообеспечение и энергоснабжение в
сельском хозяйстве» (18-19 мая 2010 г., Москва). Часть 4. М.: ГНУ
ВИЭСХ, 2010. С. 109-114.
Майоров В.А., Стребков Д.С. Конструктивные параметры параболоцилиндрических концентраторов для солнечных батарей // Труды Международной научно-практической конференции «Перспективные направления альтернативной энергетики и энергосберегающие технологии». Том 1. Шымкент, 2010. С. 96-102.
108
ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ СУШИЛЬНЫХ
УСТАНОВОК
Д-р техн. наук В.В. Ермуратский, канд. техн. наук М.А. Грицай,
канд. техн. наук В.И. Бурчиу
(ИЭ АНМ, г. Кишинёв, Молдова)
В Республике Молдова технологии солнечной сушки до сих
пор не получили должного развития. Используются дорогие импортные инфракрасные сушилки, что повышает стоимость конечных
продуктов. В период 2006-2010 в Институте энергетики Академии
Наук Молдовы выполнялась НИР «Разработка и исследования недорогих и эффективных солнечных установок для сушки растительной
продукции». В результате созданы научно-технические основы инженерных методик расчёта предложенных конструкций таких элементов солнечных конвективных сушилок, как нагреватели воды и
воздуха, сушильной камеры, аккумулятора тепла, утилизатора
сбросного тепла, осушителя воздуха. Выполнены разработки программного обеспечения для расчётов режимов работы элементов
солнечной системы и сушильной установки в целом. Подготовлены
эскизные проекты, изготовлены и испытаны в реальных полевых
условиях экспериментальные образцы элементов и сушильных установок конвективного и радиационного типов. Определены их
энергетические, экономические и экологические показатели.
Расчёты и эксперименты показали возможность и целесообразность создания передвижных и стационарных сушильных установок с коэффициентом замещения традиционных энергоресурсов
солнечной энергией до 62%. Предложенные технические и технологические решения обеспечивают повышение коэффициента использования первичной энергии с 25...45% до 55...75%, т.е. более чем в
1,6 раза. Одновременно достигается сокращение на 15...25% времени сушки при обеспечении высокого качества конечного продукта, в
частности - равномерность высушивания сырья.
Основные научные результаты следующие:
1. Разработаны математические модели и программа для аккумулятора тепла с регулярной пористой структурой с рабочими
телами различной формы, размеров и расположением в пространстве, позволяющие рассчитывать нестационарные температурные поля
109
при произвольных начальных и граничных условиях. Определяются
также потеря давления, затраты энергии на прокачку воздуха, скорость распространения фронта тепловой волны, время зарядки и
разрядки, удельная и абсолютная эксергия и её потери, мощность
теплообмена, ширина зоны теплообмена, скорость перемещения
этой зоны по каналу, число единиц переданного тепла, эффективность АТ как регенеративного теплообменного устройства, энергия
при зарядке и разрядке аккумулятора тепла и её потери.
2. Разработаны методики определения оптического КПД и
коэффициента тепловых потерь водяного коллектора с дискретным
абсорбером солнечного излучения, основанные на результатах физических экспериментов, получаемых в нестационарных тепловых
режимах.
3. Созданы математические модели и программы для расчёта
мгновенных и долгосрочных энергетических характеристик солнечных нагревателей воздуха с селективными и неселективными сетчатыми матричными абсорберами, а также нагревателей воды проточного типа с абсорбером из полимерных труб и ёмкостного типа с
гибкими абсорберами, снабжённых плоскими зеркально отражающими рефлекторами.
4. Разработаны модели для расчёта процесса сушки «толстых» слоёв растительных материалов в сушильной установке конвективного типа с поперечными потоками воздуха при постоянных
и переменных режимах сушки.
5. Разработаны научно обоснованные методики расчёта температурных режимов, энергетических, экономических и экологических показателей, как основных элементов солнечных сушильных
установок, так и сушилок в целом.
Основные практические результаты
1. Предложены конструкции элементов солнечных сушилок:
-солнечных нагревателей воздуха, воды из полимерных и
композитных материалов с дискретным абсорберами солнечного
излучения, а также интегрированного солнечного нагревателя воды
и воздуха, обеспечивающие в условиях РМ в период с марта по ноябрь получение 350…450 кВтч/м2 тепловой энергии;
- контейнерного аккумулятора тепла с непосредственным,
непрямым и комбинированным поглощением солнечного излучения,
110
энергоёмкость которого составляет 40...50 кВт⋅ч/м3, а удельная мощность 1...3 кВт/м3;
- солнечных мобильных сушильных установок конвективного и конвективно-радиационного типа с гибкими полимерными воздушными коллекторами;
- утилизатора сбросного тепла на основе полимерных материалов (плёночных и ячеистых);
- осушителя воздуха адсорбционного типа с регенерацией
рабочего тела, как за счёт солнечной энергии, так и путём использования электроэнергии в ночной период времени по сниженному тарифу;
- сушильной камеры с поперечным потоком воздуха, контурами рециркуляции и утилизации сбросного тепла.
Предложенные конструкции сушильные установки характеризуются низкой начальной стоимостью, лёгкостью в изготовлении
с использованием природных материалов, простотой и надёжностью
в работе, равномерностью высушивания различных видов сырья,
повышенной производительностью даже при неблагоприятных погодных условиях. Срок возврата капитальных затрат составляет менее одного года для простых («домашних») солнечных сушилок и
1,5-2,5 года – для универсальной солнечной стационарной установки
при её интенсивной загрузке (сушка овощей, фруктов, ягод, пряных
и лекарственных трав).
Разработан эскизный проект солнечно-топливной стационарной «универсальной» установки для сушки фруктов, овощей,
ягод, пряных растений, лекарственных трав. Установка рассчитана
на сушку 200 кг сырья в течение 12-24 ч и может обеспечить замещение традиционных энергоресурсов солнечной энергией в период с
июня по ноябрь в объёме до 62% от общего потребления.
В результате выполнения данной работы установлено следующее:
Чисто солнечные сушильные установки без аккумуляторов
тепла в условиях Молдовы могут успешно применяться в июнеоктябре, обеспечивая примерно 2,5 кратное сокращение продолжительности сушки по сравнению с открытой сушкой. Установки с
прямым облучением сырья солнечным излучением («домашние»
установки радиационного типа) благодаря своей простоте изготовления и эксплуатации могут получить очень широкое распростране-
111
ние в Молдове для индивидуального пользования. Вместе с тем для
них характерны большие продолжительность сушки, потери витаминов и более низкое качество конечного продукта. Тем не менее,
благодаря солнечной «изолированной» технологии сушки продукция получается более чистой, чем например, при традиционной дымовой сушке или сушке на открытом воздухе.
Расчёты показали, что в условиях Молдовы разработанные
системы теплоснабжения конвективных сушильных установок за
счёт солнечной энергии в различные месяцы года могут обеспечить
замещение традиционных энергоресурсов в объёме от 30 до 100 %.
Максимальное замещение может быть получено в период с июня по
сентябрь при минимальных перерывах процесса. Это достигается
также за счёт применения плоских рефлекторов для повышения
плотности солнечного излучения, падающего на коллекторы нагревателя воздуха и воды. Подвижный плоский рефлектор обеспечивает не только повышение на 25...30% полезную энергию солнечного
нагревателя воды, но и защиту прозрачного ограждения от повреждения градом, а также защиту абсорбера от перегрева. Такой рефлектор применён также в интегрированном коллекторе - аккумуляторе тепла для повышения его энергетических показателей и снижения её потерь в периоды с низкой солнечной радиацией.
Рассмотрена также возможность и целесообразность применения в составе стационарной сушильной установки абсорбционного осушителя воздуха. Он позволяет: производить сушку в более
короткие интервалы времени (сокращение продолжительности сушки примерно на 20...30%), а также осуществлять сушку при высокой
влажности атмосферного воздуха в осенний период; получать конечный продукт с минимальным влагосодержанием, что важно, например, при производстве фруктовых чипсов. Этот элемент сушильной установки также необходим при низкотемпературной сушке лекарственных трав и пряной зелени. Он также является краткосрочным аккумулятором тепла.
Запатентованная конструкция сушильной камеры с поперечным потоком воздуха обеспечивает более равномерную сушку частиц сырья, сокращение времени сушки на 10...20% и большее сохранение витамина С. Применение рециркуляции сушащего воздуха и
утилизации сбросного тепла солнечных и солнечно-топливных сушилок обеспечивает сокращение затрат энергоресурсов примерно в
112
2,4...2,9 раза, что в терминах КПД означает увеличение коэффициента использования первичной энергии, необходимой для работы
конвективных сушильных установок с 40...50% до 62...75%. Таким
образом, энергоэффективность процесса сушки благодаря этим техническим решениям возрастает в 1,5...1,9 раза. Дальнейшее повышение коэффициента использования первичной энергии можно
обеспечить путём использования сбросного тепла для непосредственного воздушного отопления технологических помещений (теплиц, птичников, животноводческих ферм и т.д.).
Разработанные конструкции солнечных нагревателей воздуха и воды, в том числе запатентованная конструкция гибридного
нагревателя воды и воздуха, энергетически эффективны и достаточно просты по конструкции и технологии изготовления.
В заключение можно отметить, что все разработанные элементы – солнечные нагреватели воды и воздуха, аккумулятор тепла,
сушильная камера, утилизатор сбросного тепла, осушитель воздуха
имеют достаточно простые конструкции и технологии изготовления.
В них применены недорогие и распространённые материалы, благодаря чему производство и изготовление сушильных установок на их
основе легко может быть освоено с минимальными капитальными и
текущими затратами в условиях Молдовы.
Из рекомендаций по дальнейшему применению и развитию
этого направления использования солнечной энергии можно отметить разработку комбинированных источников энергоснабжения
сушильных установок с применением других видов и преобразователей ВИЭ (ветер, биомасса, ТНУ и др.). Существенное энергосбережение и получение качественного конечного продукта может быть
достигнуто за счёт оптимизации процесса сушки путём контроля
температур и влажности воздуха и сырья. Целесообразно также интегрирование нескольких видов потребителей тепловой энергии
(создание сушилок-теплиц, комплексов, состоящих из различных
потребителей). Это обеспечит уменьшение срока окупаемости проектов, а также повысит эффективность использования традиционных и возобновляемых энергоресурсов.
Литература
1. Ermuratschii V. at all. Instalatii solare eficiente pentru uscarea productiei
vegetale. Analele Institutului de Energetica. Rezultate Cercetarilor si Elaborarilor in perioda 2006-2010. Chisinau, 2010, pp.255-278.
113
СОЛНЕЧНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ
С МНОГОСЛОЙНЫМИ СЕТЧАТЫМИ АБСОРБЕРАМИ
Д-р техн. наук Вл.В. Ермуратский, Вас.В. Ермуратский
(ИЭ АНМ, г. Кишинёв, Молдова)
Солнечные воздушные коллекторы (СВК) – основной элемент преобразующий радиацию Солнца в тепло. От их производительности зависят не только энергетические, но и экономические и
экологические показатели систем солнечного теплоснабжения. К
настоящему времени системы с СВК, несмотря на их известные достоинства и сравнительно долгую эволюцию, не получили такого же
распространения, как водяные. Воздух, имеющий более низкую теплоёмкость и теплопроводность, для теплопередачи требует большей
мощности и энергии. Поэтому предлагается и исследуются множество конструкций, способствующих повышению коэффициентов
теплообмена между абсорбером и воздухом /1-3/. Наиболее перспективными являются конструкции с «объёмным» поглощением солнечного излучения /5-10 /, поскольку в таких абсорберах можно получить более высокие, чем у плоских сплошных поглотителях, коэффициенты теплообмена. Нами рассматриваются СВК с абсорберами в виде нескольких слоёв сеток с плоскими стенками матрицы
двух видов: с поперечным и продольным потоком воздуха (рис. 1).
Рис. 1. Схемы СВК с поперечным и продольным потоком воздуха:
1 - прозрачное ограждение, 2 - абсорбер, 3 - теплоизоляция
Энергетические показатели коллекторов определялись после
расчёта его стационарного температурного поля и потерь давления.
Методика расчёта распределения температур базируется на применении электротепловых схем замещения /2, 4/, параметры которых зависят от температуры. Эти параметры и уравнения балансов тепловых
114
потоков определяются с использованием метода контрольных объёмов,
изложенном в /2/ для аккумуляторов тепла с каменной насадкой.
Результаты расчётов в предшествующем контрольном объёме являются исходными данными для расчётов последующего контрольного объёма. Теплоёмкость материалов конструкции не учитывается, т.е. решается одномерная задача теплообмена в среде с внутренними источниками и стоками тепла. Система уравнений по методу узловых потенциалов, известный из электротехники, имеет вид:
∑ Ykj*Tj = ∑Qk ,
(1)
k=1, n
где Ykj – тепловые проводимости между узлами; Tj – температуры в узлах; Qk – мощность источников и стоков тепла в узлах; nчисло независимых узлов в схеме. Узлы «расположены» на наружной и внутренней поверхности прозрачного ограждения, на каждом
слое сеток, на дне корпуса СВК и его наружной стороне. Мощность
источников (тепловыделение в узлах за счёт поглощения солнечной
радиации матрицей сеток) определяется путём расчёта приведенной
поглощательной способности слоистой структуры. Удельная мощность источников (тепловыделение в узлах за счёт поглощения матрицей сеток солнечной радиации) определяется по формуле:
(2)
Qk = Ik Пп ,
где Пп – приведенная поглощательная способность k –го слоя
сетки; Ik – плотность радиации, падающей на k –й слой сетки. Плотность солнечной радиации рассчитывается по формуле:
Ik = Ik-1кз ,
(3)
где кз – отношение площади матрицы в плоскости сеток к их
площади, определяемой по габаритным размерам. Приведенная поглощательная способность слоёв сетки определяется раздельно для
прямой и рассеянной составляющих солнечного излучения плотности по методике, приведенной в работе /2/. При этом изменение соотношения этих компонент при прохождении слоёв сеток мы не
учитывали. Тепловые проводимости для радиационных проводимостей рассчитываются с учётом оптических свойств матрицы сеток и
значений коэффициента заполнения кз, полагая, что длинноволновое
излучение является рассеянным.
Система (1) решается с помощью модифицированного итерационного метода, состоящего в том, что невязка уравнений тепло-
115
вого баланса в узлах используется для уточнения температуры в
этих узлах:
(4)
Δ Qв = А* Yк *( Tj – Tв) – G cв (Tв1 - Tв2),
где А – площадь поверхности теплообмена, м2; Yк - удельный конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); Tв =
0,5(Tв1 + Tв2) – температура воздуха в ячейке сетки, К; Tв1 , Tв2 – температуры воздуха до и после прохождения слоя сетки, К; Tj –
температура материала сетки, К; G – массовый расход воздуха, кг/с;
cв – удельная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг К); Tв1, Tв2 – температуры воздуха на входе и выходе из контрольного объёма, К. Это позволяет ускорить сходимость итерационного процесса при малых
расходах воздуха. Удельный коэффициент теплоотдачи матрицы
сеток в диапазоне 10<Re<105, а также радиационная и конвективная
тепловые проводимости между поверхностью прозрачного ограждения и окружающей средой определялся по методикам работ /2, 4/ с
учётом ветровых условий и температуры окружающей среды.
Выполнены параметрические исследования СВК с продольным и поперечным потоками воздуха. Исследования проведены при
разных параметрах и оптических свойствах прозрачного ограждения,
сеток и дна корпуса СВК. Варьировалось также число слоёв сеток,
размеры ячеек, и площадь и ориентация стенок матрицы. В таблице
приведены основные данные для СВК с размерами 1×3 м и прозрачным ограждением из 8мм ячеистого поликарбоната при Io = 800Вт/м2;
G* =const= 0,042кг/с; ta = tвх = +250C. Абсорберы выполнены из 5 слоёв сеток со стенками толщиной 0,2 мм, шириной 1 мм и кз = 0,16. Высота воздушного канала 0,1 м. Коэффициенты поглощения и эмиссии
для материала сеток были приняты равными 0, 86 и 0,15.
Варианты конструкции
Величины
КПД.
Приращение температуры воздуха Δt, 0C
Средняя температура
абсорбера Tabs, К
UL, Вт/(м2К)
Разность
температур
сеток и воздуха, 0C
Потери давления, Па
Продольный поток
Неселект. Селект.
0,59
0,61
36,4
37,1
Поперечный поток
Неселект. Селект.
0,54
0,56
34,3
35,2
316
318
331
334
3,8
2,3
3,6
2,6
3,2
17
3,1
23
18,6
18,6
1,2
1,2
116
Выводы
В результате исследования СВК с многослойными сетчатыми абсорберами установлено следующее:
1. Применение селективных сеток не приводит к существенному росту КПД СВК, что связано с незначительной долей тепловых потерь при применении ячеистого поликарбоната в качестве
прозрачного ограждения.
2. Оптимальное число слоёв сеток находится в пределах 3-8 в
зависимости от относительной площади апертуры сеток и направления воздуха.
3. СВК с продольным потоком воздуха имеет на 10-12% более высокие энергетические показатели, чем в случае поперечного
потока воздуха. Однако у него существенно (примерно в 10-20 раз)
больше потери давления.
4. В режиме постоянного расхода воздуха значение полезной
энергии в 1,12 раза больше, чем при постоянной температуре на его
выходе. Однако в первом случае в аккумуляторе тепла будет формироваться неравномерное температурное поле, что приведёт к снижению энергетических показателей системы.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Bansal N., Ramachandra R. Solar Air Heaters. Chapter4, Reviews Renewable Energy Sources, V.2. Ed. M.S. Sodha at all, Willey Eastern Calcutta
and John Willey. 1984.
Duffie J., Beckman W. Solar engineering of Thermal Processes. Third Edition. N-W., 2006. John Wiley & Sons. Inc. - 908p.
Tchinda R. A review of the mathematical models for predicting solar air
heaters systems. // Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 13,
Issue 8, October 2009, Pages 1734-1759.
Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. Л.: Энергия, 1968. – 360 с.
Mohamad A. High efficiency solar air heater.// Solar Energy, Volume 60,
Issue 2, February 1997, Pages 71-76.
Kolb A., Winter E., Viskanta R. Experimental studies on a solar air collector
with metal matrix absorber. // Solar Energy, Volume 65, Issue 2, 1 February
1999, Pages 91-98.
Varshney L., Saini J. Heat transfer and friction factor correlations for rectangular solar air heater duct packed with wire mesh screen matrices. // Solar
Energy, Volume 62, Issue 4, April 1998, Pages 255-262.
117
8.
Prasad S., Saini J., Singh K. Investigation of heat transfer and friction characteristics of packed bed solar air heater using wire mesh as packing material. // Solar Energy, V. 83, Is. 5, 2009, Pages 773-783.
9. Mittal M., Varshney L. Optimal thermohydraulic performance of a wire
mesh packed solar air heater. // Solar Energy, Volume 80, Issue
9, September 2006, Pages 1112-1120.
10. El-khawajah M., Aldabbagh L., Egelioglu F. Тhe effect of using transverse
fins on a double pass flow solar air heater using wire mesh as an absorber. //
Solar Energy, Volume 85, Issue 7, July 2011, Pages 1479-1487.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛНЕЧНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛИНЗАХ ФРЕНЕЛЯ
Д-р техн. наук Ш.И. Клычев, С.А. Бахрамов, З.Ш. Клычев
(НПО "Академприбор", г.Ташкент, Узбекистан),
д-р техн. наук В.В. Харченко (ГНУ ВИЭСХ)
В последние годы достаточно интенсивно ведутся работы по
созданию солнечных фотоэлектрических модулей, состоящих из
микроконцентратора (обычно линза Френеля) и каскадного фотоэлемента [1-3]. Ранее предполагалось, что такие модули уже при
концентрации солнечного излучения от 200 до 500 могут оказаться
экономически рентабельными [2].
Однако в настоящее время принято считать, что для обеспечения рентабельности модулей, концентрация солнечного излучения
должны быть на уровне 800 -1000. При этом одним из резервов повышения КПД модуля является повышение оптического КПД микроконцентратора. Это связано с тем, что, несмотря на существенные
успехи в области создания каскадных фотоэлементов (достигнуты
кпд до 40%), общий КПД модуля остается достаточно низким.
Указанное обстоятельство определяет необходимость более
детального анализа энергетических характеристик линз Френеля
(ЛФ) - оптический КПД, концентрация, распределение концентрированного потока по площади элемента.
Методы расчета линз Френеля, предназначенных для концентрации солнечного излучения, рассматривались в [4], а методика
оценки энергетических характеристик ЛФ в [5]. При этом в [4] не
учитывались неточности оптических поверхностей, а в методике [5]
118
в качестве параметра использовалось понятие средней концентрации, т.е. не учитывалось распределение концентрированного солнечного излучения по поверхности приемника.
Анализ ЛФ с точки зрения указанных задач является целью
настоящей работы.
В общем случае имеем две расчетные схемы: первая – вершины зубьев лежат в одной плоскости; вторая – основания зубьев
лежат в одной плоскости. Отметим, что с точки зрения технологичности изготовления и сборки ЛФ, первая схема имеет преимущества.
Дело в том, что концентратор в модуле должен закрываться с двух
сторон защитными стеклянными пластинками и для равномерного
прилегания задних стенок зубьев они могут быть изготовлены одинаковой толщины, равной толщине крайнего, k-го зуба. Расчетная
схема ЛФ по схеме 1 и её основные параметры приведены на рис. 1.
Рис. 1. Расчетная схема ЛФ по схеме 1:
f – фокусное расстояние линзы; k – число поясов или "зубьев" ЛФ;
Rvk , Rnk – верхний и нижний габаритные радиусы i-го зуба; U0 - угол
раскрытия линзы; i – номер "зуба"; rp – "расчетный" радиус концентрированного пятна, по которому определяются параметры зубьев;
hi – толщина i-го зуба; Li – длина рабочей грани i-го зуба
119
На первом этапе расчета ЛФ определяются предварительные
значения f и габаритный радиус R (R = Rvk).
Отметим, что обобщенными геометрическими параметрами
ЛФ являются угол раскрытия U0 (U0 = arctg(R/(f+hK) и относительный радиус приемника rP/f, а обобщенными энергетическими характеристиками являются концентрация СA = EA/(E0*τ) и относительное
значение потока на площадке радиуса r, или Fr/F0, где EA - плотность
концентрированного потока точке A приемника, EC –плотность прямого солнечного излучения, τ - пропускательная способность материала ЛФ и F0 – поток солнечного излучения, падающий на ЛФ.
Влияние f и R на концентрации поясов в фокусе точной ЛФ (среднеквадратическая ошибка неточности поверхностей и наклона рабочих
граней σ=0) при rP/f =0.01, R= 84,5мм, показателе преломления материала ЛФ n= 1,4584 и различных f приведено на рис. 2.
CA=EF/(E0*τ)
σ=0
700 rP/f=0.01
R≅ 84.5mm
600
500
f=150 (29 )
400
300
f=200 (230)
f=100 (400)
200
2
f=80 (470)
100
0
1
0
f=60 (U0=550)
5
10
15 20 25 30 35
i, í î ě ĺ đ ďî ˙ ńŕ
Рис. 2. Концентрации в фокусе ЛФ от отдельных поясов при различных f , без учета (1) и с учетом (2) френелевских потерь на отражение
Из рис. 2 видно, что в ЛФ угол раскрытия должен быть около
30 и для данной R f будет порядка 110 ÷ 150мм, а число поясов порядка 30 (это существенно меньше числа поясов в ЛФ, предназначенных для создания изображения).
Целью второго этапа расчета является окончательный выбор
f, U0 и определение допусков на неточности изготовления рабочих
поверхностей ЛФ, определение потока на рабочей поверхности приемника.
0
120
Исходные данные на этом этапе - это средняя концентрация
по приемнику, или некоторой площадке на приемнике C, а варьируемые параметры это rP/f (могут быть разными для разных зубьев),
угловые неточности изготовления поверхностей σ и смещение центра пятна пояса (зуба) от фокуса rr (на рис. 1 rr=0).
На рис. 3 приведено распределение концентрации в фокальной плоскости ЛФ при различных отношениях rP/f . Для сравнения
там же приведено распределение концентрации для параболического и сферического концентраторов. Как видно из рис. 3, в случае
точных концентраторов ЛФ дает меньшие концентрации, чем сфера
и параболоид, однако для реальных случаев, когда σ составляет около 8 угловых минут, концентрации ЛФ уже при k = 35 достаточно
близки к концентрациям параболоида.
U0=28,4-29,4 R≅ 84.5mm
Парабола σ=0 f=150
Сфера
9000
rP/f=0.0005, k=462
rP/f=0.005, k=46
rP/f=0.0065, k=35
rP/f=0.01, k=23
6000
3000
0
ЛФ:
f=150 R≅ 84.5mm
6000
Cx= Ex/(E0*τ)
Cx=Ex/(E0*τ)
12000
Парабола
5000
σ=8
ЛФ rP/f=0.0065, N=35
4000
Сфера
3000
2000
1000
0
1
2
x,mm
3
4
а
0
0
1
2
3
X, mm
4
5
б
Рис. 3. Концентрации в фокальной плоскости ЛФ, параболы и сферы,
точных (а) и неточных (б)
Для ЛФ имеем следующие виды угловых неточностей: неточности угла наклона грани в целом - αГ; местные неточности поверхности грани - σS; неплоскостности входной поверхности пояса и
поверхностей защитного стекла - σb.
Результаты исследования влияния неточностей (квадратной в
плане ЛФ) на средние концентрации (или поток) на приемники различных размеров приведены в табл.1 (для варианта 1 σs = 0, σb = 0,
αГ = 0).
121
Таблица 1. Средние концентрации и потоки на приемнике
для квадратной ЛФ (120х120) и: f = 140мм, σs = 8, σb = 6, αГ = -10
№
варианта
1
2
3
приемник,
мм
2.79х2.79
4,65х4,65
2.79х2.79
4,65х4,65
2.79х2.79
4,65х4,65
СS ,
без фп
1805,9
666,7
1523,5
641,8
1514,1
645,2
СS ,
c фп
1696,1
625,8
1434,9
602,7
1424,6
605,7
FS/F0,
без фп
0,976
1,001
0,824
0,964
0,818
0,969
FS/F0,
c фп
0,917
0,940
0,776
0,905
0,770
0,909
Выводы
1. Параметр rp/f в линзы Френеля для большей части поясов можно
принять равным 0.0065, для крайних необходимы меньшие значения параметра.
2. Для рассмотренной ЛФ средние C > 900 можно обеспечить на
приемнике 2.8×2.8мм, при этом потоки составят примерно 64%
от падающего (без потерь от дисперсии). При этом френелевские
потери на 5 плоских гранях (18,5%), неточность (14%). Если
применять только одно защитное стекло (наружное) оптический
кпд ЛФ может составить 71-72%.
Литература
1.
2.
3.
Masafumi Yamaguchi A, Tatsuya Takamoto B, Kenji Araki C, Nicholas
Ekins-Daukes. A Multi-junction III-V solar cells: current status and future
potential // Solar Energy. №79(2005). С. 78-85.
Андреев В.М., Грилихес В.А. и др. Перспективы создания космических
солнечных батарей с концентраторами и многопереходными гетероструктурными фотопреобразователями. // Известия АН РФ, Энергетика, 2003. С. 60-69.
ФТИ им_ Иоффе РАН.htm.
122
СТРУКТУРА БАЗЫ ДАННЫХ ПО МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКЕ В РАМКАХ РАЗРАБОТКИ ГИС
«ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ
ЭНЕРГИИ РОССИИ»
Канд. геогр. наук Л.В. Нефедова
(МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва)
Геоинформационные системы (ГИС) позволяют оперативно и
подробно рассматривать на основе имеющейся географически привязанной информации различные альтернативные варианты для проведения оценки последствий вариантов проектирования в той или иной
области c целями обеспечения устойчивого развития. В особой степени это относится к энергетическим объектам и системам, использующим возобновляемые энергоисточники в связи с их высокой пространственной и временной неравномерностью и изменчивостью. В
США разработка вопросов оценки ресурсов малой гидроэнергетики
страны на базе ГИС-технологий по заказу Министерства энергетики
выполнялась в IDAHO NATIONAL LABORATORY. В ходе данных
работ была разработана ГИС «Virtual Hydropower Prospector» (VHP)
на основе программного обеспечения компании ESRI [1].
Геоинформационные системы гидроэнергетических ресурсов, и в первую очередь ресурсов малой гидроэнергетики связаны с
необходимостью привлечения как большого количества данных
гидрологических измерений, гидрографических и географических
характеристик русел и территорий водосборов малых рек, так и расчетных характеристик стока. Специфической особенностью малых
рек является исключительная зависимость водных ресурсов от местных ландшафтно-географических особенностей водосборов. По этой
причине ограниченные водные ресурсы малых рек имеют большую
изменчивость как во времени так и в пространстве. Различие удельного стока даже на соседних реках, типичное для них, объясняется
индивидуальными особенностями водосборов.
Основные гидрологические характеристики для расчетов
гидроэнергопотенциала (ГЭП) различных уровней обобщения зависят от масштаба проведения исследований:
• Макроуровень – оценки потенциалов крупных регионов (первичные оценки);
123
•
Мезоуровень – оценки и расчеты на уровне водосборных бассейнов рек 3-4 порядка (уточненные оценки);
• Микроуровень – оценка ГЭП малой реки и выбор вариантов размещения створов МГЭС (водноэнергетические расчеты).
В соответствии со стоящими задачами, определяющими необходимые расчетные параметры, и встают требования к исходной
физико-географической, гидрографической и гидрологической информации, необходимой для создания базы данных ГИС. Оценки
ГЭП малых рек и его распределения по территории затруднено ограниченностью объема данных о стоке по времени и в пространстве.
Имеющиеся в стране гидрологические посты наблюдений сосредоточены в основном на больших и средних реках, что не позволяет
определить энергопотенциал малых рек методом “линейного учета”.
Для общих оценок на макроуровне необходимо определение
среднемноголетних значений расходов в замыкающих створах рек
2-3 порядка и средневзвешенного уклона русла рек. В этом случае
необходимо
создания
слоев
ГИС,
содержащих
карту
гидрологического районирования (для оценок распределения стока в
течении года), карту модулей стока, региональные коэффициенты
редукции значений модуля стока в зависимости от площадей
водосборов для малых рек, залесенности, заболоченности. Для
оценок уклона при создании ГИС любого масштаба целесообразно
привлечение цифровых моделей рельефа.
Оценки валового гидроэнергетического потенциала отдельных регионов целесообразно проводить путем расчетов потенциала
по створам, ограниченным устьями притоков отдельных рек для условий 50% обеспеченности стока, выделяя водосборные бассейны на
картах соответствующего масштаба и затем выполнять расчеты суммарного значения гидроэнергетического потенциала на территории
региона. Масштаб оценок ГЭП малых рек небольшой территории
(бассейн реки 3-4 порядка) позволяет проводить более уточненные
расчеты, используя следующие гидрологические характеристики:
гидрографические характеристики (длины водотоков, площади водосборов, средний уклон русла, озерность, лесистость, заболоченность водосбора), средний уклон русла наиболее крупных частей
при больших градиентах уклона. Среднемноголетнее значения стока
в устьевых и характерных участках рек, определенные с использованием региональных карт модуля стока. Для вычисления требующих-
124
ся показателей значения расходов воды 50% и 95 % обеспеченности
необходимо построение региональных кривых обеспеченности стока, вид которых определяется значениями коэффициентов вариации
и асимметрии. Рекомендуется оценить также внутригодовое распределение стока, характерное для многоводных, средних и маловодных лет [2].
Более точные оценки необходимых значений стока, требуемых для гидроэнергетических расчетов конкретной малой реки, выбора перспективных створов МГЭС (микроуровень) могут быть получены путем подробных гидрологических расчетов и, в случае необходимости, наблюдений и изысканий на местности с соответствии
с принятыми в инженерной гидрологии методиками [3, 4].
Важной составляющей гидроресурсов для создания МГЭС
являются существующие перепады каналов и водохранилища
неэнергетического назначения, на которых на попусках в нижний
бьеф могут быть установлены турбины и электрогенераторы, т.е.
освоение створов с готовым напорным фронтом. Режим работы
таких
малых
ГЭС
подчинен
требованиям
основного
водопользователя [5].
При создании ГИС по ресурсам малой гидроэнергетики
необходимы данные о строении рельефа, расположении водных
объектов для проведения оценок уклонов русла и выбора
местоположения энергообъектов. Наиболее доступной в настоящее
время базой данных для цифровых моделей рельефа является база
данных NASA SRTM.
Shuttle radar topographic mission (SRTM) – Радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных (>60), самых южных широт (>54), а
также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000г с помощью специальной радарной системы. Двумя радиолокационными
сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных.
Генерализованные данные Level-1 с разрешением 90 метров (3 угловых секунды) определены на всю отснятую территорию, кроме территории США, на которую данные распространяются с разрешением 30 м. Разрешение данных по высоте – 1 метр. Исходные данные
распространяются квадратами размером 1×1 градус, при максимальном доступном разрешение 3 арксекунды такой квадрат является
матрицей размером 1201×1201 пикселей [6].
125
Структура базы данных ГИС по малой гидроэнергетике.
Проведенный анализ зарубежных ГИС оценок ресурсов и
расчетов в области малой гидроэнергетики показал, разрабатываемая ГИС должна обеспечивать выполнение следующих специфических для гидрологических задач, необходимых при проведении гидроэнергетических расчетов:
- подготовка по данным ДДЗ и топографическим картам
цифровых карт ландшафтной структуры местности (в том числе
водоемы, почвы, растительность);
- построение ЦМР и расчет по ней полей уклонов,
экспозиций, отмывки рельефа;
- определение по ЦМР водосборного деления, направлений
стока, аккумуляции стока и дренажа (расчетной речной сети),
- определение по ЦМР затопления территории при создании
плотин ГЭС для различных фаз водного режима, а также возможных
наводнений при их разрушениях,
- расчеты, картирование основных гидрологических
характеристик и их статистических параметров.
Из анализа информационных ресурсов, потребностей гидроэнергетических оценок и расчетов нами была разработана структура
базы данных (БД) по МГЭС. Было обосновано, что БД ГИС
«Ресурсы малой гидроэнергетики» должна содержать картографическую,
атрибутивную,
текстовую
и
графическую
информацию, архивы космических снимков
Картографическая составляющая БД должна содержать
векторную информацию различных масштабов:
- карту масштаба от 1:10 000 000 до 1:2 500 000, включающую все общегеографические и специализированные объекты
территории Российской Федерации и прилегающих водосборных
бассейнов сопредельных государств для оценок на федеральном
уровне;
- карту масштаба от 1:1 000 000 до 1:200 000, включающую
все общегеографические и специализированные объекты для работ
на бассейновом и территориальном уровнях;
- карту масштаба менее 1:200 000, включающую все общегеографические и специализированные объекты для расчетов на
бассейновом уровне;
126
- карты масштабов от 1:50 000 до 1:1000 для гидрологических расчетов конкретных гидроэнергетических сооружений.
При этом общегеографические слои содержат: федеральные
округа, хозяйственные районы, территориальное деление (субъекты
РФ), районы административного деления субъектов РФ, населенные
пункты, отметки высот, изолинии, растительность, автомобильные
дороги, ЛЭП. Виды векторных основ определяются масштабами
проведения исследований. Картографическая информация о водных
объектах включает: моря, озера, пруды, реки, водохранилища, бассейны морей, бассейны рек, посты гидрологических наблюдений,
болота, ледники, дополнительную гидрографию (ключи, родники,
гейзеры, источники), изобаты.
Гидрологические слои должны содержать информацию об
основных зональных гидрологических характеристиках водотоков,
об имеющихся расчетах статистических параметров характеристик
стока и их распределении по территории, зоны синхронного стока,
зоны сходных параметров внутригодового распределения стока.
Важным гидрологическим слоем являются результаты и карты
проведения гидрологического районирования разного уровня.
Слои гидротехнических сооружений содержат: мощность
установленных гидроагрегатов (ГА), среднегодовая выработка, год
сооружения и техническое состояние, тип энергообъекта (сетевой
или автономный), владелец.
Группа слоев окружающей среды содержит информацию о
современном энергопотреблении на территории и перспективных
энергопотребителях (строящиеся объекты). Слой по охраняемым
территориям включает: территории ООПТ, с указанием их уровня
охраны, земли водного фонда.
Атрибутивная информация должна содержать данные об
общегеографических и специализированных объектах, современных
и перспективных потребителях электроэнергии, важных с точки
зрения с целей оптимизации и экономической обоснованности
выбора мест сооружения объектов малой гидроэнерегетики.
Графическая информация должна содержать растровые
файлы в следующем составе: электронные копии карт, авиационные
и космические снимки, содержащие необходимую информацию.
127
Текстовая информация должна содержать описательные
сведения об объектах базы данных и методиках проведения оценок и
расчетов БД.
Разработка ГИС «Возобновляемые источники энергии
России» выполняется при финансовой поддержке ФЦП «Научные
и научно-педагогические кадры России» на 2009-2013гг.
Материалы представлены на сайте http://gis.vov.ru.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Douglas G., Kelly S. & other Feasibility Assessment of the Water Energy
Resources of the United States for New Low Power and Small Hydro
Classes of Hydroelectric Plants // INL, 2006.
Евстигнеев В.М. Речной сток и гидрологические расчеты. М.: Изд-во
МГУ, 1990. - 304 с.
СП-33-101-2003.
Определение
основных
гидрологических
характеристик.
Методические
рекомендации
по
определению
расчетных
гидрологических
характеристик
при
отсутствии
данных
гидрометрических наблюдений – ГГИ. С-Пб., 2009.
Малая гидроэнергетика / Под. ред. Л.П. Михайлова. – М.:
Энергоатомиздат, 1989. – 184 с.
Jarvis A., H.I. Reuter, A. Nelson, E. Guevara, Hole-filled seamless SRTM
data V4, International Centre for Tropical Agriculture (CIAT), 2008,
http://srtm.csi.cgiar.org.
ПРЕИМУЩЕСТВА РАЗВИТИЯ
МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ
Канд. геогр. наук Л.К. Малик
(Институт географии РАН, г. Москва)
Строительство и восстановление гидроэлектростанций на
малых реках (МГЭС) является одним из наиболее перспективных
направлений использования возобновляемых источников энергии в
России. Экономический потенциал МГЭС превышает потенциал
таких видов нетрадиционной энергетики как ветер, солнце вместе
взятые и составляет около 70 млн. т у.т./год.
128
В последние годы роль малых ГЭС (мощностью менее 25
МВт) выросла в связи с дефицитом органического топлива, необходимостью электрификации изолированных сельских и промышленных потребителей, большими затратами на транспортировку дизельного топлива в отдаленные районы с рассредоточенными потребителями энергии, недоступными для получения электроэнергии по
линиям электропередач. Возможности малых ГЭС активно обсуждаются в связи с их преимуществами перед другими источниками
энергии в условиях глобальных изменений климата и водных ресурсов.
Малые реки — наиболее ранимое звено речной системы. Поэтому рассмотрение перспектив освоения гидроэнергетического потенциала малых рек требует чрезвычайно осторожного подхода и
взвешенной оценки позитивных и возможных негативных последствий создания ГЭС.
В лаборатории гидрологии Института Географии РАН в связи с исследованиями по теме «Безопасность…» автором статьи разработаны концептуальные подходы к решению проблем использования малых рек для целей энергетики (рис. 1).
Развитие малой гидроэнергетики должно быть тесно связано
с улучшением состояния малых рек. Создаваемые плотины и водохранилища не только не должны нарушать жизнедеятельность малых рек, а напротив, содействовать их возрождению. С этой целью
необходима разработка водоохранных мероприятий с учетом потребностей в водных ресурсах ближайших промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных предприятий. Расчистка, спрямление, углубление русел и ряд других мероприятий должны помочь
контролировать глубину малых рек, режим поемности, степень зарастания и отложения наносов. Углубление и расширение рек позволяют вскрыть родники и увеличить приток чистой воды. Таким
образом, восстановление малых рек, помимо экономического, имеет
важный социальный аспект: чистые реки с живой водой — это признак здорового общества и благополучной экологии.
129
II. Социальноэкологические
I. Экономические
ПРЕИМУЩЕСТВА
СОЗДАНИЕ
МГЭС
III.Проблемы
безопасности
IV. Факторы, осложняющие проектирование, строительство и эксплуатацию
НЕОБХОДИМЫЕ
МЕРОПРИЯТИЯ
V. Научноорганизационные
VI. Законодательные, финансовые
и нормативноправовые
Рис. 1. Концептуальная схема развития малой
гидроэнергетики. Содержание блоков
130
Преимущества малой энергетики
I. Экономические. Позволяют электрифицировать отдаленные районы с рассредоточенными потребителями энергии, недоступными для ее получения по линиям электропередач. Эффективны
в составе объединенных энергосистем в качестве надежного маневренного источника энергии. Обеспечивают водными ресурсами различные отрасли хозяйства в разных частях бассейнов. Снижают трудозатраты при строительстве и эксплуатации гидроузлов. Экономят
органическое топливо и затраты на его транспортировку. Не требуют больших капиталовложений, облегчают поиски инвесторов. Гарантируют быстрый возврат инвестиций при типовых проектах и
унификации деталей сооружений, небольших сроках строительства.
Обеспечивают поэтапное распределение капитальных вложений при
поочередном возведении гидроузлов и постепенном по мере надобности наращивании регулирующей мощности. Отсутствие федерального финансирования, надежность конструкций, гибкость эксплуатации и малые затраты на обслуживание делают сооружение
МГЭС задачей регионов и местных энергосистем. Дают возможность финансировать строительство и эксплуатацию гидроузлов через потребителей энергии и инвестиции на местах. Дополнение
крупномасштабной энергетики малой повышает надежность электроснабжения и позволяет более эффективно использовать гидроэнергетический потенциал рек.
II. Социально-экологические. Существенно оздоровляют
воздушный бассейн и уменьшают поступление парниковых газов в
атмосферу при замене ими электростанций на органическом топливе. Отвечают критериям оптимальности — удовлетворяют потребности человека при минимальном воздействии на окружающую среду благодаря небольшим затоплениям и подтоплениям, особенно в
горных районах с устойчивыми к размыву руслами. Отличаются
сравнительной простотой подготовки ложа водохранилищ к затоплению. Не препятствуют водообмену в речных системах благодаря
мелководности и небольшому объёму водохранилищ. Оказывают
наименьшее влияние на водный и другие виды режима малых рек,
особенно при расположении водохранилищ в пределах русел рек,
бесплотинном варианте конструкций гидроузлов и др. Способствуют переводу поверхностного стока в устойчивый подземный. Имеют
ярко выраженную тенденцию затухания переработки берегов в про-
131
тивоположность крупным водохранилищам за исключением отдельных периодов, связанных с колебаниями водности рек. Не требуют
переселения жителей, не нарушают охотничьих угодий, не вносят
изменений в образ жизни коренных малочисленных народов. Способствуют возрождению и подъёму национальной экономики, базирующейся на традиционных отраслях хозяйства. Эффективны и
безопасны в экологическом отношении при снабжении электроэнергией возрождаемых факторий и новых национальных посёлков. Водохранилища МГЭС интенсивно используются для рыборазведения,
рекреации, организации курортных зон и охотничьих хозяйств.
III. Проблемы безопасности. Способствуют повышению
уровня жизни и безопасности населения в суровых по природным
условиям отдаленных районах. Являются энергетическим резервом
стратегически важных объектов, обеспечивают преодоление энергетического коллапса при чрезвычайных ситуациях на лидирующих
энергопроизводящих предприятиях. Повышают безопасность снабжения населения электричеством и теплом в случае непредвиденного аварийного или преднамеренного отключения крупных энергосистем. Основные причины разрушения МГЭС – перелив воды через
гребень плотин вследствие прохождения нерасчётных паводков, отказа гидромеханического оборудования, ошибок обслуживающего
персонала, плохой освещённости водного режима малых рек данными гидрометеорологических наблюдений. Непосредственный
ущерб от повреждения МГЭС не сравнимо меньше, чем от крупных
энергообъектов. МГЭС не провоцируют наведенную сейсмичность и
более безопасны при землетрясениях. Сравнительная безопасность
МГЭС для природных систем и самих сооружений, небольшая
стоимость и сроки строительства, техническая доступность согласуется с целями ЮНЕСКО в области гидрологии, охраны окружающей
среды, разработки новых методов эксплуатации энергетических ресурсов и сохранности энергообъектов.
IV. Факторы, осложняющие проектирование, строительство и эксплуатацию. Недостаточная изученность режима малых
рек, вследствие слабой освещенности данными гидрологических
наблюдений. Отсутствие современных методов оценки стока неизученных малых рек. Неразработанность методики и затруднённость
прогноза различных сторон воздействия МГЭС на природную среду.
Недостаточное развитие способов определения эффективности ма-
132
лой гидроэнергетики, установления её преимуществ и недостатков,
экономически и экологически обоснованных масштабов развития.
Частичная или полная потеря регулирующей емкости вследствие
заиления водохранилищ, нарушение баланса наносов из-за их отложения в водоёмах и активности руслоформирующих процессов в
нижних бьефах. Необеспечение гарантированной выработки энергии
вследствие резкого падения энергоотдачи зимой и в летнюю межень,
приостановка работы в случае перемерзания или пересыхания рек.
Задержка строительства гидроузлов из-за возможных потерь рыбного хозяйства при отсутствии рыбоходов на нерестовых реках.
Необходимые мероприятия
V. Научно-организационные. Изучение режима малых рек,
уточнение их гидроэнергетического потенциала и потребностей в
электроэнергии. Продолжение обследования действующих и выведенных из эксплуатации МГЭС, установление целесообразности
восстановления, модернизации и увеличения мощности. Завершение
создания базы данных о ГЭС на малых реках для всей территории
РФ. Совершенствование технологий, отказ от индивидуального проектирования, серийный выпуск надёжного унифицированного оборудования, автоматизация управления станциями. Организация системы мониторинга, разработка методов прогноза последствий создания МГЭС, районирование территории России по степени возможных экологических последствий строительства гидроузлов, составление оптимальных схем размещения малых электростанций.
Изучение ландшафтных особенностей районов строительства
МГЭС, т.к. создание станций не является лишь русловой задачей,
решаемой в пределах долин рек. Использование при размещении
гидроузлов карт ландшафтно-экологического районирования (ИГРАН), позволяющих выявить районы со слабыми малоустойчивыми
ландшафтами, требующими особой осторожности при освоении.
Сохранение жизнедеятельности малых рек (водохранилища не
должны превышать 20-30% объёма среднего годового стока реки),
соблюдение определённых критериев скорости течения и водности
потока ниже плотины; обязательная расчистка русел и другие мероприятия, помогающие контролировать их глубину, режим поёмности, степень зарастания и отложения наносов. Создание водоохранных зон при строительстве или восстановлении МГЭС, благоуст-
133
ройство побережий, организация заповедных территорий и объектов
рекреации. Снижение или исключение потерь рыбного хозяйства
путём создания конструкций бесплотинных ГЭС, природоимитирующих рыбоходов и др. Строительство в горных районах подземных ГЭС, отвечающих условиям безопасности при стихийных воздействиях. Осуществление технических мероприятий, обеспечивающих безаварийную работу МГЭС, сохранение водонепроницаемости и фильтрационной прочности сооружений, устройство качественных водосбросов, готовых к пропуску экстремальных расходов
воды (например, водосбросных систем «Гидроплюс»), сооружение
надежных по гидравлическим условиям конструкций переливных
грунтовых плотин без специальных затворов со ступенчатым откосом, обращенным к нижнему бьефу. Популяризация и разъяснение
задач и выгод от энергопроектов для формирования общественного
мнения и экономической заинтересованности регионов в МГЭС с
учетом взаимоотношений с природной средой различных социальных и этнических групп населения.
VI. Законодательные, финансовые и нормативноправовые. Принятие закона РФ о возобновляемой энергетике, сопровождаемого пакетом мер и постановлений Правительства по его
государственной поддержке. Разработка и принятие, наряду с общим законом о ВИЭ, законов РФ прямого действия, в том числе «О
малой энергетике», предусматривающего механизмы стимулирования строительства МГЭС. Использование системы мер Киотского
протокола для законодательной поддержки ВИЭ. Привлечение опыта интенсификации ВИЭ странами ЕС с учетом экономических, экологических и социальных особенностей России. Экономическая
поддержка развития ВИЭ: введение специальных закупочных тарифов на электроэнергию от возобновляемых энергоисточников, осуществление благоприятной налоговой и кредитной политики, упрощение получения разрешений на строительство и создание льготных
условий для инвестирования. Составление региональных энергетических кадастров и программ развития малой гидроэнергетики, согласованных с местными органами самоуправления, привлечение
хозяйственных предприятий и независимых частных инвесторов,
организация региональных инвестиционных фондов. Отказ от преференций в пользу ВИЭ после достижения сопоставимого с традиционной энергетикой уровня себестоимости производимой энергии
134
и перевод их в обычный конкурентный режим. Либерализация рынка электроэнергетики и свободное ценообразование, связанное с демонополизацией и созданием условий для свободной конкуренции с
участием
малой
энергетики.
Финансирование
научноисследовательских работ, обеспечивающих технологический прогресс, экологическую безопасность и снижение стоимости ВИЭ.
Расширение подготовки квалифицированных кадров в области ВИЭ.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СТАНЦИЙ В АГРАРНО-ПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ
РОССИИ
Канд. физ.-мат. наук В.Г. Николаев, канд. техн. наук С.В. Ганага
(Научно-информационный центр “АТМОГРАФ”, г. Москва)
В докладе изложены результаты оценки возможных и целесообразных масштабов использования ветроэлектрических станций
(ВЭС) в аграрно-промышленном комплексе (АПК) России. Полученные результаты основаны на трех составляющих: на требуемом
увеличении энерговооруженности АПК в связи с реализацией государственной программы его развития на 2008–2012 гг., на нормативах энерговооруженности основных видов сельскохозяйственного
производства и на установленных ресурсных и техникоэкономических возможностях ВЭС для энергоснабжения АПК в
субъектах РФ. Оцененная суммарная мощность и выработка экономически целесообразных для использования в АПК ВЭС равны 1900
МВт и 4,75 млрд. кВт·ч.
Важнейшими составляющими природных ресурсов России,
благоприятствующими развитию конкурентоспособного в мире АПК,
являются большие территории посевных площадей, составлявшими в
1990 (2008) годах 1177 (769) тыс. км2, или 0,79 (0,54) га/чел, а также
запасы пресной воды и энергоносителей (традиционных и возобновляемых – энергии рек, солнца и ветра. Необходимость роста сельскохозяйственного производства в современной России обусловлена политическими, экономическими, социальными и прочими факторами и
определена Доктриной продовольственной безопасности РФ, значительно утраченной согласно данным рис. 1 и табл. 1.
135
Рис. 1. Динамика производства основных видов продукции
сельского хозяйства
Таблица 1. Потребление продуктов питания в РФ в кг на человека
55
235
250
38
13
2006 г.
/ 1990
г. %
73,3
60,9
89,6
80,8
65,0
Рекомендуемое
потребл.
81
389
290
38
23
Ст. 3 /
Ст. 5
%
67,9
60,4
86.2
100,0
56,5
10
12,2
122,0
12,8
95,3
89
103
115,7
139
74,1
106
133
125,5
117
113,7
35
119
48
121
137,1
101,7
71
110
67,6
110,0
Продукты
питания
Потреблено
в 1990 г.
Потреблено
в 2006 г.
Мясо
Молоко
Яйца (шт.)
Сахар
Рыба
Масло
растительное
Овощи
Картофель
Фрукты
Хлеб
75
386
279
47
20
В настоящее время импорт основных видов продовольствия
в России составляет 40 – 60%. Государственная программа развития
сельского хозяйства РФ к 2012 г. планирует увеличение производства
его продукции на 24,1% к уровню 2006 г.
136
В качестве объективных критериев достижимого потенциала
сельхозпроизводства в производства зерновых в субъектах РФ авторами приняты посевные площади и урожайность 1990 г., а в животноводстве – поголовье скота в 1990 г.
Важнейшей составляющей индустриальной базы и конкурентоспособности сельского хозяйства является его энерговооруженность и энергоэффективность, а также тарифы на электроэнергию. При действовавших в 2007 г. тарифах их доля в себестоимости
основных видах сельхозпродукции составляла: по мясу до 9% (говядина) и 21% (свинина), по молоку – до 17%, по яйцу – до 28%, по
зерновым – до 23% [5]. К 2010 г. после примерно на 25–30%-ного
повышения цен на электроэнергию и газ доля энергозатрат в себестоимости основных видах сельхозпродукции возросла, по оценкам
автора, по мясу до 12–26%, по молоку – до 20–21%, по яйцу – до 33–
35%, по зерновым – до 27–29% (в 1985 – 1990 гг. эти показатели не
превышали 7 – 10%).
Рост продукции АПК требует дополнительных (отсутствующих в настоящее время) и весьма значительных затрат электроэнергии, проиллюстрированных графиками на рис. 2, сплошные линии
которых соответствуют достижению целей Государственной программы. Оценка необходимых затрат электроэнергии для ее выполнения явилась первой задачей исследований данной работы.
Рис. 2. Электропотребление в АПК при выполнении продовольственной
программы РФ до 2012 г. и в перспективе
137
Второй задачей являлась оценка и доказательство возможностей покрытия части требуемого дополнительного энергообеспечения АПК России за счет использования ВЭС на перспективу.
Результаты, полученные авторами, обобщены в таблице, содержащей расчетные данные по дополнительным потребностям в
энергоресурсах для обеспечения роста производства основных видов
продукции АПК и возможностям их покрытия за счет использования
ВЭС в тех субъектах РФ, где ВЭС имеют КИУМ>30% и оказываются
экономичнее традиционных источников энергии. Так, себестоимость электроэнергии ВЭС ≈5–5,5 еuro-ц./кВт·ч против 6,5–7,5 еuroц./кВт·ч у вновь строящихся ЭС на газе и угле.
Полученный эффект достижим в субъектах РФ, ветровые ресурсы на территории которых допускают использование ВЭС для
более экономичной выработки электроэнергии по сравнению с традиционными в России тепловыми ЭС (рис. 3). Расчеты проведены по
данным об энергоемкости производства основных видов сельхозпродукции: мяса свинины – 1950 кВт·ч/т, говядины – 1000 кВт·ч/т,
молока – 280 кВт·ч/т, яиц – 65 кВт·ч/тыс.шт., зерновых – 90 кВт·ч/т.
Согласно полученным авторами результатов, при суммарных
дополнительных среднегодовых потребностях в электроэнергии для
реализации Продовольственной программы РФ к 2012 г. порядка
8080 млн. кВт·ч до 60% этих потребностей (4750 млн. кВт·ч) можно
покрыть за счет ВЭС суммарной установленной мощности 1900
МВт. Энергетический эффект использования ВЭС обусловлен возможностями быстрого их строительства, а экономический эффект –
снижением себестоимости продукции за счет экономии удельных
затрат на электроэнергию на величину порядка 1–1,5 еuro-ц./кВт·ч.
При этом снижение себестоимости производства свинины
составило бы 20–30 еuro/т, говядины – 10–15 еuro/т, молока – 3,0–4,5
еuro/т, яиц – до 1,0 еuro/1000 шт., зерна – до 1,5 еuro/т.
Наличие техники имеет важнейшее значение в повышении
производительности труда в АПК, снижении себестоимости продукции и в увеличении производства продуктов питания. За период
реализации Программы планируется поступление в АПК не менее
175 тыс. тракторов, 55 и 17 тыс. зерно- и кормоуборочных комбайнов, до 220 тыс. плугов, сеялок, молотилок и культиваторов. Обновление парка с учетом списания этой техники к уровню 2006 г. долж-
138
но составить по тракторам 40%, по зерноуборочным комбайнам –
50%, потребует дополнительных затрат электроэнергии и ввода
мощностей ВЭС, также оцененных в работе.
Рис. 3. Перспективные районы размещения ВЭС
Рис. 4. Связь себестоимости электроэнергии ВЭС с их мощностью
139
Наиболее эффективным и экономичным решением проблемы
энергоснабжения АПК России с помощью ВЭУ является строительство сетевых ВЭС суммарной номинальной мощности порядка 25
МВт и более (10–15 ВЭУ единичной мощности 1,5–2,5 МВт) не далее 3–5 км от имеющихся распределительных электроподстанций
или высоковольтных ЛЭП. Установка ВЭС меньшей мощности приведет к росту себестоимости электроэнергии ВЭС (рис. 4).
Сетевые ВЭС по соображениям обеспеченности ветровыми
ресурсами наиболее эффективно могут быть размещены на территории лесозащитных полос (с учетом роз ветра), находящихся, как
правило, в федеральной собственности (что способствует упрощению процедур согласования землеотвода под ВЭС). Вдоль полос
повсеместно имеются дороги, допускающие прохождение сельскохозяйственной техники (что упрощает и удешевляет транспортировки и возведения ВЭУ). Вырубка леса в данном случае минимальна
(0,02–0,04 га/ВЭУ) и не только не снижает агротехническую эффективность лесополос, но и повышает ее за счет торможения ветра
ветроколесами ВЭУ.
В удаленных от электросетей районах эффективным способом энергообеспечения сельскохозяйственного производства является строительство автономных ветродизельных электростанций
суммарной мощности 1–5 МВт на базе ДЭС номинальной мощности
≈500–1000 МВт и 3–5 ВЭУ по 300–600 МВт. Окупаемость таких
ВДЭС в местах с высоким ветропотенциалом, обеспечивающим для
ВЭУ КИУМ≈25–30%) обеспечивается экономией дизельного топлива.
С учетом полученных результатов широкомасштабное использование ВЭС в АПК России является, по мнению авторов возможным и эффективны для Государства, бизнеса и всего сегодняшнего и последующих поколений россиян.
140
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРОВОГО ПОТОКА
Д-р техн. наук С.К. Шерьязов, М.В. Шелубаев
(ЧГАА, г. Челябинск)
Дальнейшее развитие сельского хозяйства требует совершенствования системы энергоснабжения. При этом одним из путей
является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ)
в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.
Из числа ВИЭ, наиболее перспективными по признаку доступности потребителю являются энергия ветрового потока. В мире
действует огромный парк ветроэнергетических установок с суммарной мощностью более 200 ГВт.
В России, по разным причинам ограничено число ветроэнергетических установок. В условиях, когда существуют оптимально
разработанные по конструкции ветроэнергетические установки, необходимо определить условия их эффективного использования в
системе энергоснабжения [1].
Для эффективного использования ветроэнергетических установок необходимо знать режимы поступления ветрового потока и
условия функционирования энергоустановок в конкретных климатических условиях. При этом необходимо определить энергетические характеристики ветрового потока, поскольку недостаточны
данные метеорологической службы, полученные в ходе наблюдений
за режимом поступления скорости ветра.
Основной характеристикой ветрового потока является
скорость ветра, осредненная за расчетный период времени (сутки, месяц, год). Ресурсы ветровой энергии также характеризуется удельной ветроэнергетической мощностью
1
N 0 = ρv3 , Вт / м2
2
где ρ – плотность воздуха; v – скорость ветра.
Удельная мощность ветрового потока представляется как осредненная величина за расчетный период и необходимо знать осредненную величину v3 за данный период. Для получения необходимых данных требуется знать распределение повторяемости скорости ветра за расчетный период.
141
На практике, по метеорологическим данным повторяемость
скорости ветра лучше представить для каждого месяца. Тогда по
эмпирической повторяемости ( t∗( v ) ) или дифференциальной функции распределения f ( v ) скорости ветра можно определить ожидаемую среднюю мощность ветрового потока за расчетный период [2]:
1 n
1
N 0 = ρ ∑ v i3t ∗( vi ) = ρ( v 3 )ср
2 i =1
2
, Вт/м2
или
1 ∞
1
N 0 = ρ ∫ v 3 f ( v )dv = ρ( v3 )ср , Вт/м2.
2 0
2
Среднее значение мощности ветрового потока рекомендуется определить за сутки. Тогда скорость ветра, при которой ожидается среднесуточная мощность ветрового потока, представляется как
энергетическая характеристика ветра. Она определяется по данным
метеорологических наблюдений
v ср.м
3
= 3 ∑ v i t∗ ( v i )
, м/с.
Энергетическая характеристика ветрового потока отличается от средней скорости ветра. Зависимость энергетической характеристики ветрового потока от средней скорости ветра (рис. 2) достаточно хорошо аппроксимируется уравнением вида
v ср.м = 1 ,4 + 1 ,1v cp .
v ср.м
14
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
v cp
Рис. 2. Зависимость энергетической характеристики
ветрового потока от средней скорости ветра
142
Тогда по средней скорости ветра можно оценить удельную
среднесуточную мощность ветрового потока:
N
0
=
(
)3
1
ρ 1 , 4 + 1 ,1 v cp
2
.
Моделирование режима скорости ветра позволяет оценить
суммарную суточную энергию ветра с удельной поверхности:
1 ∞
1
3
W 0 = ρ Т ∫ v 3 f ( v ) dv = ρ Т vср
.м
2
2
0
, кВт ч/м2,
где Т – число часов в течение расчетного периода.
Для объективной оценки поступающей энергии ветрового
потока за более длительное время (месяц, сезон или год) необходимо учитывать вероятность распределения скорости ветра и определить интегральную обеспеченность заданной скорости ветра за расчетный период. Так интегральная обеспеченность скорости ветра,
обеспечивающая среднесуточную мощность, при известных параметрах β и γ двухпараметрического уравнения Вейбулла
⎡ ⎛v
сp .м
p( v ) = exp ⎢ − ⎜⎜
⎢ ⎝ β
⎣
⎞
⎟
⎟
⎠
γ⎤
⎥
⎥
⎦
.
Таким образом, для эффективного энергообеспечения потребителей от ВИЭ необходимо определить энергетические характеристики возобновляемых источников. В качестве энергетической характеристики ветрового потока рекомендуется определить скорость
ветра, обеспечивающая среднесуточную мощность ветрового потока. При этом необходимо учитывать случайный характер данной
скорости ветра.
Литература
1.
Шерьязов С.К. Возобновляемые источники в системе энергоснабжения
сельскохозяйственных потребителей: Монография. - Челябинск:
ЧГАУ, 2008. - 300 с.
143
2.
Саплин Л.А., Шерьязов С.К., Пташкина-Гирина О.С., Ильин Ю.П.
Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников: Учебное пособие для вузов с грифом УМО. – Челябинск: ЧГАУ, 2000. – 203 с.
ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ РАЗРАБОТКИ ГЭС
С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ ЦИЛИНДРАМИ
Асп. А.А. Сопоев
(ГНУ ВИЭСХ)
Введение
На 2006 год гидроэнергетика обеспечивает производство до
88 % возобновляемой и до 20 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 777 ГВт. Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения
является Исландия. Кроме неё этот показатель наиболее высок в
Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке — 98 %), Канаде и
Швеции. В Парагвае 100 % производимой энергии вырабатывается
на гидроэлектростанциях. Особенности традиционных ГЭС:
• себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более
чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.
• турбины ГЭС допускают работу во всех режимах от нулевой до максимальной мощности и позволяют быстро изменять мощность при необходимости, выступая в качестве регулятора выработки электроэнергии.
• Сток реки является возобновляемым источником энергии.
• Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое, чем тепловых станций.
• Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей,
чем тепловые станции.
• Водохранилища часто занимают значительные территории/
• Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства,
поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам,
однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом
водохранилище и осуществлению рыбоводства.
144
• Водохранилища ГЭС, с одной стороны, улучшают
судоходство, но с другой — требуют применения шлюзов для перевода судов с одного бьефа на другой.
• Водохранилища делают климат более умеренным.
Преимущества традиционных ГЭС:
▪ использование возобновляемой энергии;
▪ очень дешевая электроэнергия;
▪ работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу;
▪ быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи
рабочей мощности после включения станции.
Недостатки традиционных ГЭС:
▪ затопление пахотных земель;
▪ строительство ведется там, где есть большие запасы энергии воды;
▪ на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов;
▪ сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек,
сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных
стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелетных
птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока
биогенных веществ в океаны.
Обоснование целесообразности разработки ГЭС
с колеблющимися цилиндрами
В лаборатории вихревых и колебательных процессов ГНУ
ВИЭСХ разрабатывается гидроэлектростанция нового типа, которая
преобразует энергию течений в электрическую энергию с помощью
колеблющихся цилиндров.
145
Рис. 1. Структурная схема ГЭС с колеблющимися цилиндрами
На рис. 1 представлена простейшая структурная схема гидроэлектростанции с колеблющимися цилиндрами. Секция с колеблющимися цилиндрами 5, находящаяся на упругой подвеске 4, при
обтекании потоком жидкости начинает совершать колебания. Механоэлектрический преобразователь 3 преобразует механическую
энергию колебаний секции цилиндров 5 в электрическую энергию, и
передает ее дальше к матричному конвертору 1, после чего электрическая энергия поступает к потребителю. По оценке специалистов
[1] ГЭС с колеблющимися цилиндрами будет иметь меньшую установочную стоимость и стоимость кВт⋅ч по сравнению с существующими электростанциями. Сравнение стоимостей электроэнергии при
различных технологиях получения электрической энергии приведено в табл. 1.
ГЭС с колеблющимися цилиндрами обладает дополнительными преимуществами по сравнению с плотинными:
• более низкая стоимость 1 кВт⋅час электроэнергии;
• не требуют больших капитальных вложений;
• практически не оказывают негативного воздействия на окружающую среду;
• возможность работы в автономном режиме (для обслуживания не нужен квалифицированный персонал);
• гидротехнические сооружения не подтопляют леса и сельскохозяйственные угодья;
146
• не приводят к сносу и переносу населенных пунктов;
• в процессе строительства и на этапе эксплуатации отсутствует отрицательное влияние на качество воды;
• практически отсутствует зависимость от погодных условий
обеспечивается устойчивая подача дешевой электроэнергии потребителю в любое время года;
• простота установки в труднодоступных районах;
• высокая надежность конструкции;
• возможность работы подо льдом;
• не нарушает судоходство и сплав леса.
Электростанции, использующие гидравлическую энергию,
не ограничиваются только речными ГЭС. В морях и океанах также
присутствуют течения. Существенным недостатком таких электростанций является занимаемое ими водное пространство, что приводит к нарушению судоходства и необходимость ограничения доступа к пляжам. Приведем некоторую сравнительную диаграмму
(рис. 1), показывающую преимущества гидроэлектростанции с колеблющимися цилиндрами, перед вышеупомянутыми электростанциями.
Таблица 1. Сравнение стоимостей электроэнергии от различных
электростанций
Технология
получения
энергии
Установочная
стоимость
($/кВт)
Стоимость
топлива
($/кВт⋅час)
Стоимость
электроэнергии
($/кВт⋅час)
Уголь высшего качества
1437
0.011
0.041
Продукты газификации угля - битум
1647
0.025
0.06
Продукты газификации угля,
1845
0.013
0.052
Уголь/Биомасса в
кипящем слое
1505
0.012
0.046
Атомная энергетика
2180
0.005
0.062
147
Продолжение табл. 1
Технология
получения
энергии
Установочная
стоимость
($/кВт)
Стоимость
топлива
($/кВт⋅час)
Стоимость
электроэнергии
($/кВт⋅час)
Природный газ
375
0.063
0.187
Ветроэнергетика
1200
0
0.069
Солнечная энергия
6000
0
0.489
Газ из органических
отходов - новый
1200
0.018
0.069
Биогаз
1000
0.018
0.066
Гидроэлектростанции
с колеблющимися
цилиндрами
500
0
0.01
Таблица 2. Количество и геометрические размеры
гидроэлектростанций различной мощности
Масштабный
класс
установки
Гига-
Мощность
, МВт
Число
цилиндров
Диаметр
цилиндров, м
Длина
цилиндров, м
Высота,
м
Вес,
тыс.тонн
1000
32 849
2
40
60
1 775
Мега-
100
6 570
2
20
30
159
Большая
Средняя
Малая
10
1 314
1
20
15
11.4
1
526
0.5
10
15
1.1
0.1
328
0.2
4
5
0.10
Микро-
0.05
657
0.1
2
5
0.05
148
Рис. 1. Относительная мощность различных установок, кВт/м3
Выводы
1. Создание ГЭС с колеблющимися цилиндрами будет способствовать развитию энергосберегающих технологий и общей
электрификации отраслей народного хозяйства.
2. Возможность работы при малых скоростях течений (от 1.5
м/с) и ряд других преимуществ позволят решить проблему обеспечения электроэнергией тысяч населенных пунктов, удаленных от
централизованного электроснабжение.
Литература
1.
2.
3.
Bernitsas M. M., Raghavan K. Vivace (Vortex Induced Vibration for
Aquatic Clean Energy): A New Concept in Generation of Clean and Renewable Energy From Fluid Flow. // Proceedings of OMAE2006 25th International OMAE Conference Hamburg, Germany, 2006.
Кажинский Б. Б. Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности. M.: Госэнергоиздат, 1950. - 76 с.
Малая гидроэнергетика. Информационный бюллетень по возобновляемой энергии для России и стран СНГ, май 2005.
149
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С КОЛЕБЛЮЩИМСЯ ЦИЛИНДРОМ
Канд. техн. наук Е.Д. Сорокодум, асп. А.А. Сопоев
(ГНУ ВИЭСХ)
Введение
Гидроэлектростанции с колеблющимися цилиндрами, несмотря на невысокий коэффициент преобразования энергии течений, представляют большой практический интерес благодаря малой
стоимости вырабатываемой ими электроэнергии. Экстракция кинетической энергии течений происходит благодаря отрыву вихрей
Кармана, которые приводят в поперечное колебательное движение
цилиндр. Затем механическая энергия этих колебаний цилиндра передается далее механоэлектрическому преобразователю. Гидродинамическая нагрузка колеблющегося цилиндра отбирает часть экстрагируемой энергию течений. Знание этой нагрузки может позволить уменьшить вредные диссипативные потери и обеспечить оптимальные характеристики колебания цилиндра, что в свою очередь
повысит коэффициент отбора энергии течений и кпд всей электростанции.
Представляет интерес для поиска оптимальных режимов колебаний цилиндра, который является рабочим органом гидроэлектростанции с колеблющимися цилиндрами. Анализ взаимодействия
цилиндра с потоком жидкости условно разделен на разделы: а) колебания цилиндра в спокойной жидкости; б) взаимодействие покоящегося цилиндра в набегающем; в) вынужденные колебания цилиндра в потоке жидкости; г) автоколебания цилиндра в потоке жидкости. Настоящая статья посвящена анализу колебаний цилиндра в
спокойной жидкости. Используемые числа подобия:
.
(1)
.
,
(2)
(3)
где - число Кейлегана-Карпентера; - число Стокса; - относительная амплитуда;
- число Рейнольдса;
- колебательная скорость, м/с; - абсолютная амплитуда колебаний, м; - кинематиче-
150
ская вязкость жидкости, м2/с; - период колебаний, с. Из чисел подобия предложенных различными авторами используем (1) и (2) [1].
В большинстве анализируемых работ [2]-[6] для представления силы, действующей на цилиндр в направлении движения жидкости, используются уравнение Морисона:
,
(4)
где ρ - плотность жидкости, - диаметр цилиндра, - длина цилиндра, - скорость колеблющейся жидкости (или цилиндра колеблю, при
щегося в спокойной воде), в нашем случае
,
- коэффициенты сопротивления и инерции соответ-
ственно. Приведение сил действующих на цилиндр в форме (6) имеет формальный характер и не отражают реальность. Поэтому в нашей работе силу, действующую на колеблющийся цилиндр, представляем в импедансной формы:
,
(5)
где - механический импеданс, - активная часть механического
импеданса, - реактивная часть механического импеданса. Активная часть представляет из себя сумму полезных (приводящих в движение механоэлектрический преобразователь) и диссипативных сил,
реактивная часть - сумму инерционных и упругих сил:
,
,
(6)
(7)
где
- полезная часть,
- диссипативная часть,
- инерционная
часть,
- упругая часть. Очевидно, что для гидроэлектростанции
диссипативная составляющая будет уменьшать эффективность гидроэлектростанции. Поэтому очень важно уменьшить эту составляющую.
Реактивная часть механического импеданса не отбирает активную энергию, но она будет уменьшать амплитуду колебания цилиндра под воздействием вихрей Кармана, и в конечном итоге будет
приводить к уменьшению величины экстрагированной из течений
энергии. Результаты исследований показали, что в гидродинамической реакции на цилиндр инерционная составляющая имеет отрицательные значения. Поэтому для ее нейтрализации необходимо вво-
151
дить в систему упругий элемент - пружину, что приведет к тому, что
реактивная часть механического импеданса станет близкой к 0 (условие резонанса).
Результаты
В связи с вышеизложенным, был проведен анализ ряда статей [2]-[6], в которых были идентифицированы силы, действующие
на цилиндр. Было сделано обобщение графиков для коэффициентов
сопротивления и инерции, построены зависимости от (1) и (2), показанные на рис. 1, которые соответствуют форме силы через уравнение (4). Существуют противоречия по поводу адекватности использования (4), к примеру, в работе [7]. В случае с представлением сил
через импедансную форму, есть возможность отследить возникающие диссипативные силы, для чего и делается текущий анализ. В
данной статье не показывается метод идентификации сил через импедансную форму, полученные результаты представлены в виде зависимости безразмерной активной части механического импеданса
( ) от числа Рейнольдса на рис. 2, и в виде зависимости безразмерной реактивной части механического импеданса ( ) от относительной амплитуды на рис. 3.
Полученные результаты показывают, что на интервале чисел
Рейнольдса от 104 до 3⋅104 диссипативная часть принимает минимальные значения, и с увеличением относительной амплитуды диссипативная часть уменьшается.
Анализируя полученные результаты, авторы данной статьи
приходят к выводу, что реактивная часть не зависит от относительной амплитуды колебаний. В случае, когда цилиндр колеблется в
потоке для нейтрализации инерционной составляющей, цилиндр
должен быть не только установлен на подвеске, которая бы компенсировала инерционную составляющую, цилиндр также должен колебаться с резонансной частотой, равной частоте определенной из
числа Струхаля. Для нахождения частоты колебаний цилиндра, необходимой для нейтрализации инерционной составляющей, воспользуемся (3), и, зная, что число Струхаля для цилиндра примерно
равно 0.23, при известных значениях диаметра цилиндра и скорости
потока, найдем частоту отрыва вихрей, которая будет соответствовать частоте колебаний цилиндра.
152
2
Cd
Cm
1
0
100
1×10
1×10
3
1×10
4
5
Re
Рис. 1
15
R0j , 2 10
R0j , 3
R0j , 4
R0j , 5
5
0
100
1×10
1×10
3
Rej
Рис. 2
153
4
1×10
5
0
− 0.1
X0 2 , k− 0.2
X0 3 , k
X0 4 , k− 0.3
X0 5 , k
− 0.4
− 0.5
− 0.6
0.1
1
10
100
Sk
Рис. 3
Выводы
1. В интервале чисел Рейнольдса от 104 до 3*104 диссипативная составляющая активной части механического импеданса принимает минимальные значения. Следовательно, в данном интервале
чисел Рейнольдса ожидается увеличение эффективности работы
гидроэлектростанции.
2. С ростом относительной амплитуды диссипативная составляющая уменьшается, что положительно скажется на эффективности гидроэлектростанции с колеблющимися цилиндрами.
3. Реактивная часть механического импеданса не зависит от
относительной амплитуды.
4. Реактивная часть позволяет определить величину упругой
составляющей для нейтрализации инерционной составляющей силы.
За счет уменьшения вклада от реактивной части практически до нулевого значения, и за счет уменьшения диссипативной составляющей, гидравлический КПД гидроэлектростанции увеличится.
5. Частота колебаний цилиндра должна соответствовать частоте Струхаля, для выполнения условия резонанса, что соответствует колебаниям цилиндра при максимальной амплитуде.
154
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Сорокодум Е.Д. О числах подобия применительно к колебательному
движению тела в спокойной среде // Таганрогский радиотехнический
институт. - Деп. в ВИНИТИ от 4.06.79, №1927-79. - 1979, 9 с.
Sarpkaya T. Forces on a circular cylinder in viscous oscillatory flow at low
Keulegan-Carpenter numbers. // Journal Fluid Mech., 1986, vol. 165.
Sarpkaya T. In-line and Transverse Forces on Cylinders in Oscillatory Flow
at High Reynolds Numbers. // Journal of Ship Research, 1977, Vol. 21.
Keulegan G.H., Carpenter L.H. Forces on Cylinders and Plates in an Oscillating Fluid. // Journal of Research of the National Bureau of Standards,
1958, Vol. 60.
Okajima A., Matsumoto T., Kimura S. Force Measurements and Flow Visualization of Circular and Square Cylinders in Oscillatory Flow. // JSME International Journal, 1998, Vol. 41.
Garrison C. J., M. ASCE, Field J. B., May M. D. Drag and Inertia Forces on
a Cylinder in Periodic Flow. // Journal of the Waterway Port Coastal and
Ocean Division, 1977, Vol. 103.
Hamann F.H. Forces on a Cylinder Oscillating Sinusoidally in Water. //
Конструирование и технология машиностроения. 1971. №4.
ВИХРЕВАЯ ВЕТРО-СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
УСТАНОВКА
Канд. техн. наук Р.А. Серебряков
(ГНУ ВИЭСХ),
канд. экон. наук В.Н. Зазимко
(Агенство Инвестиционного Консультирования, г. Москва)
Анализ Российского энергетического рынка показывает, что
потребление энергии в России на сегодняшний день составляет более 1 млрд. тонн условного топлива (ТУТ) в год, из них невозобновляе-мые источники топлива составляют 97,9% (нефть, газ и пр.), при
переработке которых образуются окислы вредных веществ (Nox,
CO, CH), нанося невосполнимый ущерб окружающей среде. Однако
около 15% населения на 70% территории страны испытывают недостаток в электрической энергии. В настоящее время по данным
Минтопэнерго около 20 млн. граждан России живут без электрообеспечения.
155
Исследования, проведенные в рамках международных и Российских программ энергосбережения и энергообеспечения, показывают, что потенциал нетрадиционных возобновляемых источников
энергии может покрыть всю потребность энергоснабжения страны.
Так технический потенциал нетрадиционной энергетики составляет:
- ветроэнергетика – 2,0 млрд. Т У.Т. в год;
- фото (солнечная) энергетика – 2,3 млрд. Т У.Т. в год;
- малая гидроэнергетика – 125 млн. Т У.Т. в год;
- низкопотенциальное тепло – 105 млн. Т У.Т. в год.
В настоящее время, в условиях экологических и топливных
проблем, наконец, и у нас в стране на возобновляемые источники
энергии и, особенно, на альтернативные источники энергии обращено более пристальное внимание – как на вариант замены жидкого
органического топлива и каменного угля. А так как наиболее дешевыми и доступными энергетическими ресурсами являются ветер и
солнце, то основной упор необходимо сделать на создание энергетических комплексов на основе ветроэнергетических установок, фотоэлектрических станций и комбинированных ветро-солнечных установок.
Среди нетрадиционных возобновляемых источников энергии, фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии
является наиболее подготовленным для широкого использования,
который, правда, сдерживается относительно высокой стоимостью
солнечных батарей, но в то же время, имеет огромный потребительский потенциал: сельскохозяйственный сектор, автономные системы
для навигационного обеспечения, систем телекоммуникаций, уличных солнечных фонарей, коттеджей и т.п.
Ветроэнергетические установки достигли сегодня уровня
коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями
ветра (более 5-7 м/с) могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. В России такие ветра характерны только
для Арктического побережья от Кольского полуострова до Чукотки,
а также для побережья и островных территорий Берингова и Охотского морей. Вся средняя полоса России расположена в умеренной
«ветровой зоне» со среднегодовыми скоростями ветра около 3-5м/с,
где проживает около 90% потенциальных потребителей - но это в
случае, если будут использоваться ветроустановки, работающие на
малых ветрах и умеющие использовать энергию низкопотенциаль-
156
ных восходящих тепловых потоков. Известны разработки таких установок в США [1, 2] (рис. 1) и в России [3, 4, 5] (рис. 2).
Рис. 1. Tornado Wind Energy
Conversion
Рис. 2. Вихревая ветроэнергетическая установка
Очевидно, что при объединении вихревой ветроэнергетической установки и фотоэнергосистем, развитие использования возобновляемых источников энергии примет ускоренный характер [6].
Применение такого оборудования дает более эффективное и
существенное снижение, как начальных капиталовложений на единицу мощности, так и эксплуатационных затрат. Разработкой отечественных комбинированных ветрофотоэлектрических установок занимаются в Москве, Томске, Санкт-Петербурге и др.[7, 8].
На рис. 3 – 8 представлены образцы ветрофотоэлектрических установок, а на рис. 9 – схема реализации этих установок.
Рис. 3. Ветро-солнечный
уличный светильник
Рис. 4. Стационарные установки с
разнесенным размещением ветро- и
солнечных элементов конструкции
157
Рис. 5. Стационарная установка
с разнесенным размещением
ветро- и солнечных элементов
конструкции
Рис. 6. Ветро-солнечный
уличный светильник
Рис. 7. Ветро-солнечная
установка для катодной
защиты трубопроводов
Рис. 8. Ветро-солнечный
уличный светильник
Недостатком конструкций, представленных на рис. 3 – 9, является:
- громоздкость конструктивного решения,
- наличие лопастного ветряка, работоспособного только при скорости ветра более
6-7 м/с.
Рис. 9. Ветро-солнечная электрическая
станция вертикально-осевого типа
158
Рис. 10. Схема комплектации ветрофотоэлектрической установки
Предлагается вихревая ветро-солнечная энергетическая установка, состоящая из фотоэлектрического преобразователя (ФЭП)
световой энергии и вихревого ветроэнергетического преобразователя потока ветра (ВВЭУ) в электрическую энергию, которая будет
обеспечивать увеличение мощности и эффективности её работы в
любых природных и географических условиях.
Техническое решение такой установки представлено Патентом РФ [9] (рис. 11).
ВВЭУ (рис. 2) [10, 11, 12. 13] состоит из воздухозаборника
(схема подачи воздушного потока в него на рис. 12), генератора
вихря (рис. 13), ротора, вентильного электрогенератора, дефлектора.
На верхней крышке корпуса ВВЭУ размещаются фотоэлектрические
элементы ФЭП (рис. 11).
Рис. 11. Схема конструкции ветро-солнечной электроустановки
159
Рис. 12. Схема входа
потока воздуха
Рис. 13. Cхема генератора
в воздухозаборник вихря
Солнечные элементы могут быть использованы на базе моно-кремния, аморфного кремния, и очень перспективны - гетероструктурные. Гетероструктурные солнечные элементы на основе
соединений А³Вª: GaAs, GaSb и твердых растворов на их основе:
AlGaAs, GaInP, GaInAs - обеспечивают в настоящее время наивысшую эффективность (25%- 30%) преобразования солнечного излучения. Важным преимуществом солнечных элементов на основе соединений А³Вª является их способность эффективно преобразовывать более чем 500-кратное концентрированное солнечное излучение, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов (арсенида галлия, антимонида галлия и др.) пропорционально степени концентрации солнечного излучения и, следовательно, значительно снизить стоимость использования солнечной
энергии.
Ведутся работы по использованию мощных фотоэлектрических станций на основе высокоэффективных каскадных фотопреобразователей и концентраторов солнечного излучения.
Для России ветро-солнечные установки должны иметь особое значение, поскольку, они могут решить энергетические проблемы потребителей, находящихся в зоне децентрализованного энергоснабжения - такие как удаленные объекты специального назначения,
объекты на границе, маяки, полярные и метеостанции в труднодоступных районах, малые сельскохозяйственные объекты, садовые,
дачные кооперативы, дома-коттеджи, яхты и т.д.
160
Выводы
Благодаря, предлагаемому техническому решению вихревой
ветро-солнечной энергетической установки:
- увеличивается объем электроэнергии, вырабатываемой установкой, и её работа становится стабильной при постоянно меняющейся силе ветра (начиняя с 3-4 м/с) и мощности солнечного света,
- уменьшается время нахождения аккумуляторной батареи
без подзарядки, что увеличивает срок её работоспособности,
- уменьшается себестоимость вырабатываемой электроэнергии за счет использования для двух источников электроэнергии общих блоков - аккумуляторной батареи, инвертора и блока управления.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Hsu C.T., Tornado Type Wind Turbines, Патент США №4452562, 1983.
Yen J. T., Tornado – type wind energy system, Grumman Aerospace Corp.,
Research and Development Center, Bethpage, NY.
Серебряков Р.А. Вихревая ветроустановка, Патент РФ №2073111, 1992.
Серебряков Р.А., Бирюк В.В., Вихревая ветроэнергетическая установка
// Сб. Ракетно-космическая техника, сер. XII, с.48-73, Самара, 2000.
Серебряков Р.А., Калиниченко А.Б. Вихревая ветроэнергетика //
Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, №11,
2001 с. 28-29.
Зазимко В.Н., Перспективы развития ветрофотоэнергетических комплексов на базе вихревой ветроэнергетической установки и современных фотоэнергосистем, // Энергоэффективность, Выгоды от энергосбережения в промышленности и ЖКХ. Санкт-Петербург, 2008, с. 11-14.
Технологии возобновляемой энергетики и энергосберегающее оборудование, Каталог технологий и изделий, разработанных в системе ГНУ
ВИЭСХ, М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009, с. 20, 22.
Голущак В.С. Уличный светильник с питанием от солнечной и ветровой энергии. Патент РФ №2283985, 2004.
Зазимко В.Н. Ветроэнергетическая установка. Патент на полезную модель РФ №36038, 2004.
Серебряков Р.А. Способ формирования закрученных потоков сплошных сред. Патент РФ №1779285, 1990.
Серебряков Р.А., Способ формирования закрученных потоков воздуха,
Патент РФ №2002981, 1992.
Серебряков Р.А. Вихревая ветроустановка. Патент РФ №2093702, 1996.
Серебряков Р.А. Способ формирования низкопотенциальных закрученных потоков. Патент РФ №2101550, 1997.
161
ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИХРЕВОГО
ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА
ДЛЯ НУЖД СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Д-р техн. наук В.В. Бирюк
(Самарский государственный аэрокосмический университет
(СГАУ)),
канд. техн. наук С.Б. Горяинов (СГАУ),
канд. техн. наук Р.А. Серебряков (ГНУ ВИЭСХ),
канд. техн. наук Д.А. Угланов (СГАУ)
В настоящее время в сельском хозяйстве существует задача
широкого внедрения энергосберегающих технологий, которые позволят снизить материальные средства при создании новой продукции и уменьшить энергетические затраты в данном процессе. Перспективным направлением для этого являются альтернативные источники энергии.
Одним из альтернативных видов возобновляемой энергетики
является вихревая энергетика [1, 2], которая представляет собой
технологии использования закрученных потоков сплошной среды
(например, жидкости и газа) - для преобразования их в тепловую
энергию, работу, в градиент температуры и давления.
Традиционными теплогенераторами, нашедшими широкое
применение в технике и быту, являются преобразователи энергии,
использующие теплоту сгорания различного рода топлив (жидкого,
твердого и газообразного). Недостатками их являются загрязнение
окружающей среды продуктами сгорания, значительные финансовые затраты при транспортировке и хранении энергоносителей.
В рамках данной работы в Самарском государственном аэрокосмическом университете, совместно с ГНУ ВИЭСХ была создана автономная, малогабаритная, экономичная, гибкая в эксплуатации и технически безопасная теплоэнергетическая установка –
«Вихревой гидравлический теплогенератор» (ВГТ). ВГТ - это одно
из направлений в решении задачи обеспечения потребностей населения, промышленности и сельского хозяйства тепловой энергией,
особенно в регионах, удаленных от централизованных энергосетей.
Это устройство, вырабатывающее тепло посредством изменения физико-механических параметров жидкостной среды при её течении
162
под комплексным воздействием ускоренного и заторможенного
движения. Ускорение потока достигается путем создания вихря в
системах закрутки потока вихревого теплогенератора с одновременным сужением потока в конфузоре, а торможение - последующим
его расширением в кавитационной трубе теплогенератора и развихрением потока на выходе из кавитационной трубы.
Система теплоснабжения на базе ВГТ (рис. 1) содержит систему закрутки потока 1, кавитационную трубу 2, развихритель 3,
теплопередающие устройства (теплообменник, батареи, калориферы
и т.п.) 4, гидронасос 5, с электродвигателем 6 и пульт управления
работой теплогенератора 7.
Рис. 1. Схема децентрализованной системы
теплоснабжения на базе ВГТ
В качестве источника тепла используется миниатюрный вихревой теплогенератор (ВГТ), работающий от гидронасоса. Электроэнергия используется только для запитки привода гидронасоса системы отопления, причем гидронасос запитывается электроэнергией
только для подогрева воды, при остывании системы отопления до
заданной температуры – гидронасос отключается (работает автомат
163
контроля заданной температуры воздуха в помещении). Поэтому
гидронасос, например, мощностью 1 кВт, на самом деле потребляет
только – 0,5 кВт в течение часа работы, а гидронасос мощностью 0,6
кВт - только 0,3 кВт.
Результаты испытаний показывают, что с гидронасосом
мощностью 1,0 кВт вода в системе отопления нагревается до температуры выше +60ºС с расходом электроэнергии до 17-19 кВт·час, а с
гидронасосом мощностью 0,6 кВт - около +50ºС с расходом электроэнергии до 12-14 кВт·час.
Рис. 2. Вихревой гидравлический теплогенератор
Особенностями вихревого гидравлического теплогенератора
являются (рис. 2):
• тепловая мощность опытной установки (0,5…5) кВт для обеспечения теплом помещений,
164
•
•
•
•
•
•
•
устройство экологически чистое, отсутствует необходимость
сжигания углеводородных топлив (уголь, нефть, газ),
отсутствуют нагревательные элементы,
электроэнергия используется только для питания привода гидронасоса,
отсутствует необходимость в водоподготовке,
может нагревать жидкость любого происхождения (вода, нефть,
газовый конденсат...),
обеспечивает автоматическое поддержание температуры теплоносителя в заданном диапазоне температур,
экономичен в эксплуатации и в обслуживании.
Диапазон использования ВГТ достаточно широк и гибок, например, представленная здесь конструкция может работать с гидронасосами мощностью до 5 кВт. Кроме того, ВГТ может настраиваться на поддержание в помещении любой температуры - так, например, ВГТ мощностью 1,0 кВт обеспечит +12ºС в коровнике площадью до 160 м², а тот же ВГТ с гидронасосом мощностью 2,5 кВт
обеспечит +12ºС в коровнике площадью до 550 м².
Выводы
Предлагаемую систему отопления на базе ВГТ целесообразно использовать для создания компактных и экономичных систем
отопления сельскохозяйственных помещений содержания сельскохозяйственных животных в зимнее время года.
Литература
1.
2.
Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. – 182 с.
Серебряков Р.А., Бирюк В.В. Практическое применение вихревого эффекта // Конверсия, 1994, №10, с.19-20.
165
АВТОНОМНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ ВЭУ
С ВЕТРОЗАЩИТОЙ В ЗОНАХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
Канд. техн. наук С.В. Грибков (НИЦ «ВИНДЭК», г. Москва),
С.А. Лапшин (ООО «ОКБ ВЭС», г. Калуга),
д-р техн. наук В.В. Харченко (ГНУ ВИЭСХ)
Создание автономных ВЭС в России - актуальная необходимость современного сельскохозяйственного производства.
Современное сельскохозяйственное производство в России
испытает потребность в доступе к дешевым и качественным энергоресурсам.
В частности, актуальными являются следующие задачи:
- водоподъем из скважин для организации водопоя [1], [2];
- опреснение воды, наиболее актуальное в Калмыкии и Саратовской области [3];
- полив и орошение;
- обеспечение электроэнергией ферм, промышленных и жилых зданий.
Для обеспечения сельскохозяйственного производства энергией возможно использование автономных ветроэнергетических
станций. При этом для организации бесперебойного электроснабжения актуально использование ветродизельных или ветроводородных
станций. При отсутствии требований к бесперебойной подаче энергии, как в случае опреснительных установок, или установок для водоподъема возможно использование ветроустановок без дополнительных источников выработки электроэнергии.
Использование автономных ВЭС особенно актуально в районах Волгоградской область, Кубани, Калмыкии и Ставропольского
края ввиду наличия в этих районах ветропотоков, со скоростями
выше 9…11,5 м/c [4].
Кроме этого, при возможности использования ветропотенциала на высотах 100-150 м становится актуальным применение автономных ВЭС в центральных районах РФ, в частности в Калужской, Смоленской и Тамбовской областях [5].
166
В качестве примера автономной ВЭС гарантированного
электропитания рассмотрим ВЭС, осуществляющей выработку водорода мощностью 100 кВт.
При коэффициенте использования номинальной мощности
Киум=0,3 требуется установить 4 установки мощностью 100 кВт каждая и резервный дизельный генератор мощностью 100 кВт. Использование дизельного генератора в качестве резервного источника
энергии обусловлено его более низкой стоимостью, по сравнению со
стоимостью ветроустановки.
Общий вид автономной ВЭС гарантированного электропитания с использованием дизельного генератора в качестве резервного
источника энергии, не участвующего в общей выработке электроэнергии приведен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид автономной ВЭС гарантированного электропитания
с использованием ДЭУ в качестве резервного источника энергии
167
Из соображений экономической целесообразности оптимальна замена четырех установок мощностью 100 кВт на одну установку мощностью не менее 360 кВт.
Возможность функционирования подобного автономного
ветроэнергетического комплекса без потребления дизельного топлива подтверждена опытном практического использования на объекте
«Радиотехнический пост «Сеть-Наволок»» и описана в [6].
В качестве источника энергии в существующих автономных
ВЭС используются ВЭУ с горизонтальной осью вращения. ВЭУ с
вертикальной осью вращения не нашли широкого применения из-за
присущих им технических проблем - отсутствие надежной аэродинамической ветрозащиты, неравномерности вращения, а так же наличие знакопеременной нагрузки на лопастях.
Применение вертикально-осевой ВЭУ с системой аэродинамической ветрозащиты в автономных ВЭС гарантированного
электропитания.
Основанием для разработки ВО ВЭУ с системой аэродинамической ветрозащиты были результаты испытания модели ВО ВЭУ
фирмы ООО «Эрга», имеющего характеристики:
- диаметр ротора ветротурбины D=1,6м;
- высота модели Н=2м;
- количество лопастей-5;
- профиль рабочей лопасти- NASA 0021;
- электрическая мощность Рэ= 300Вт;
- генератор на постоянных магнитах, однофазный с нулевым
моментом страгивания, заявленный КПД=0,7.
Испытания проводились в Московском комплексе ФГУП
«ЦАГИ» имени проф. Н.Е. Жуковского под руководством
ст. научн. сотр., к.т.н. С.В. Грибкова.
Максимальная достигнутая мощность образца составила 309
Вт при частоте вращения 170 об.\мин на скорости ветра 9,45 м\с. Коэффициент использования энергии ветра Киэв= 0,21…0,26 [7].
По результатам работы были отмечены как положительные
свойства (хорошие пусковые характеристики макета, высокий Киэв),
так и недостатки (отсутствие ветрозащиты, дисбаланс ротора, недостаточная жесткость конструкции) и сформированы рекомендации, в
том числе по требованиям наличия аэродинамической ветрозащиты
и улучшению показателя Киэв. По результатам анализа рекомендаций
168
предлагаются две концепции создания ВО ВЭУ с механизмом аэродинамической ветрозащиты.
Концепция №1 - создание ВО ВЭУ с механизмом аэродинамической ветрозащиты на магнитных фиксаторах [8]. Конструктивные особенности лопастей обеспечивают установку их в положении
«флюгер» к ветропотоку при превышении значений скорости ветра
выше 25 м\с. Данная концепция целесообразна к применению для
ВЭУ мощностью до 100 кВт
Концепция №2 - создание ВО ВЭУ с ВО ВЭУ с системой активного управления углом поворота лопастей при помощи системы
автоматического управления. Создание подобной ВЭУ позволит
обеспечить следующие преимущества:
- надежный запуск для двухлопастной ВЭУ за счет установки лопастей в оптимальное для запуска положение;
- более высокий КПД ветроустановки по сравнению с аналогичной без системы управления за счет оптимального угла установки лопасти к ветропотоку в каждый конкретный момент времени;
- задаваемый рабочий диапазон скорости ветра, что исключает частый запуск и остановку ветротурбины в зоне неустойчивого
ветропотока для каждого региона установки.
Данная концепция актуальна к применению для ВЭУ мощностью более 100 кВт по причинам экономической целесообразности.
Применение ВО ВЭУ с эффективной аэродинамической ветрозащитой в автономных ВЭС гарантированного электропитания
экономически выгоднее по сравнению с аналогичными ГО ВЭУ за
счет использования следующих преимуществ:
- меньшая себестоимость производства (примерно на 1015%);
- дешевле обслуживание (примерно на 40-50%);
- дешевле ремонт (примерно на 40-50%);
- теоретически более высокий Киум за счет отсутствия механизма ориентации на ветер и уменьшения числа простоев ветроустановки (примерно на 20-25%).
Реализация описанных преимуществ позволит сократить общие затраты на производство электрической энергии и расширить
области применения автономных ВЭС в сельском хозяйстве.
169
3. Система автоматического управления (САУ) для ВО ВЭУ
с управляемыми лопастями в качестве основного элемента достижения новых качественных показателей.
САУ является основным элементом, при использовании которого возможно достижение новых качественных показателей ВО
ВЭУ с управляемыми лопастями по сравнению с аналогичными установками без аналогичной системы.
Алгоритмы управления основаны на математических моделях, которые в свою очередь требуют разработки и создания. Отдельной задачей является разработка методов проверки адекватности математических моделей. Данная работа планируется к выполнению с помощью методов компьютерного моделирования и проведения испытаний в аэродинамической трубе и создании рабочего
макета установки мощностью 1 кВт.
В общем случае структурная схема САУ для макета описываемой ВО ВЭУ мощностью 1 кВт с управляемыми лопастями представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема САУ макета ВО ВЭУ
с управляемыми лопастями мощностью 1 кВт
170
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Ермакова И.М. Оптимизация основных параметров машинного водоподъема оросительных систем Саратовского Заволжья. Диссертация на
соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов, 2004.
Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат,
1983.
Никитин М.Р. Подземные воды повышенной минерализации и их использование.
Струкова В.К. Методы стимулирования возобновляемой энергии: возможности для России. Круглый стол по теме «Перспективы развития
«зеленой экономики»: вызовы для России». М.: РИСИ, 2011. - 22 с.
Николаев В.Г., Ганага С.В., Кудряшов Ю.И. Национальный кадастр
ветроэнергетических ресурсов России и методические основы их определения. М.: Издательство «Атмограф», 2008.
Дорошин А. Н. Исследование эффективности использования комбинированных энергокомплексов на основе возобновляемых источников
энергии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ, 2011.
ФГУП «ЦАГИ». Отчет о научно-исследовательской работе. Исследование аэродинамических характеристик вертикально-осевой ветроустановки в аэродинамической трубе. М., 2010.
Патент РФ № 2416738. Ветроэнергетическая установка с механизмом
ветрозащиты лопастей. 20.04.2011.
МИКРО-ГЭС ДЛЯ ГОЛОВНОГО ПРУДА
РЫБХОЗА «ПИХТОВКА» ВОТКИНСКОГО РАЙОНА
УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ
Е.Г. Трефилов (ФГБОУ ВПО «ИжГСХА»,
кафедра «Электроснабжение»); канд. сель.-хоз. наук
Г.С. Крылов (СГУП «Рыбхоз «Пихтовка»);
асп. К.В. Первушин, асп. С.А. Широбоков
(ФГБОУ ВПО «ИжГСХА», г. Ижевск)
В связи с повышением цен на энергоносители и истощением
их природных запасов правительством Удмуртской Республики было принято постановление об использовании энергии наших малых
рек. В первую очередь это можно осуществить на действующих
гидротехнических сооружениях, т.е. прудах. Так на территории Вот-
171
кинского района Удмуртской Республики располагаются пруды
«Рыбхоза «Пихтовка» общей площадью 556 гектаров.
Источниками водоснабжения Рыбхоза «Пихтовка» являются
реки Пихтовка, Большая Кивара и ручей Осиновка, которые относятся к типу рек с преобладанием весеннего половодья; в весенний
период здесь проходит до 60% годового стока.
Водоснабжение хозяйства ведется из головного пруда, а в
головной впадает р. Большая Кивара. Вода к прудам в летний период подается по открытым земляным каналам, в зимовальные пруды
и в садки по закрытому коллектору из железобетонных труб (α = 700
мм). К левобережной группе прудов, куда входят питомные пруды и
нагульные №2, №3 и №8, вода подается по магистральному каналу
МК-1, а затем по распределительному каналу Р-1 в выростные пруды, Р-1-1 в летне-маточные и летне-ремонтные и в нерестовые Р-2,
магистральный канал МК-2 питает правую группу прудов (нагульный №4, №5). Внешняя сбросная сеть представлена открытыми
сбросными каналами трапецеидального сечения.
Головной узел сооружений в своем составе имеет паводковый водосброс, земляную плотину и донный водоспуск. Паводковый
водосброс полузакрытого типа из монолитного железобетона.
Напор на пороге водосброса, при пропуске расчетного расхода Q = 5,8 м3/с, Н = 4м. Водосброс с приподнятым порогом над
отметкой русла реки 2,8м. ширина плотины из условия езды по
гребню b = 5,5м при ширине проезжей части 3,5м. верховой откос с
заложением m = 4м, низовой m = 2,5м.
Таблица 1. Характеристика прудов «Рыбхоза «Пихтовка»
Наименование
пруда
1. Головной
2. Нагульные*
3. Выростные*
4. Нерестовые*
5. Летнематочные, ремонтные*
6. Зимовальные
длина,
м
250
915
1825
1160
Сбросная сеть
ширина по
глубина ,м
дну, м
1,5
1,6
1,5
1,6
1,5
1,0
откосы, м
2,0
2,0; 1,5
1,5; 2,0
2,0
130
1,5
1,0
2,0
870
1,5
1,0
2,0
* - Работают с мая по октябрь.
172
Рис. 1. Схема установки гидротурбины:
1 - Тело плотины; 2 - Гидротурбина; 3 - Опора нижнего подшипникого узла; 4 - Железобетонный лоток; 5 - Железобетонная плита; 6 - Опора верхнего подшипникого узла; 7 - Узел управления углом
атаки лопастей; 8 - Шандора; 9 - Отводной коллектор;
10 - Вал гидротурбины
Для пропуска паводка в теле контурной дамбы сконструирован паводковый водосброс.
Водосброс оборудован плоским металлическим затвором и
винтовым подъемником с электроприводом.
В принятой схеме прудов сделано два водозаборных сооружения в магистральный канал Мк-1 и Мк-2.
Расход водозабора на Мк-1 - Q = 1,4 м3/с и на Мк-2 Q =
3
1,03 м /с.
Как отмечалось ранее, водоснабжение нагульных прудов №5
и №4 производится: с аккумуляцией стока ручья Осиновка и без аккумуляции с устройством паводкового водосброса.
Конструкция водовпусков для выростных, нерестовых, летне-маточных и ремонтных, карантинных прудов сделана из трубчатых водовпусков из сборного железобетона. Сооружения состоят из
входного оголовка, водопроводящей части и сливного участка.
173
Входной оголовок водовпусков на расходы 0,05 – 0,16 м3/с представляют из себя часть трубы, выдвинутой из откоса в канал с затвором. Оголовок водовпусков на расходы более 0,16 м3/с портальной
конструкции с боковыми ныряющими стенками [1].
Гидротурбину решено установить на водосбросе головного
пруда. Минимальный расход пруда в декабре месяце и составляет
0,30 м3/с.
Учитывая все параметры водосброса было принято использовать пропеллерную гидротурбину [2]. Основной сложностью являлось регулирование мощности гидротурбины расходом воды, так
как он зависит от требований производства и повлиять на него мы
не могли. Поэтому, была сконструирована и изготовлена гидротурбина с регулированием угла атаки лопастей, т.е. поворотнолопастная. Основные узлы гидротурбины изготовлены съемными
для того, чтобы в результате выхода их из строя можно было бы заменить. Турбина изготовлена из подручных материалов. Расчетная
мощность турбины составляет 20 кВт. Вращение на генератор передается с помощью плоскоременной передачи [3]. Генератор для
микро-ГЭС асинхронный, с параллельной работой с сетью и оборудованный реле направления мощности [4]. Основными потребителями микро-ГЭС являются система аэрации, нагревательные элементы инкубатора, освещение помещений и прожекторные установки охранной системы [5]. За 1 год гидросиловая установка позволит
предприятию сэкономить 140 тыс. кВт⋅ч электроэнергии. Установка
гидротурбины и ввод ее в эксплуатацию намечается на весну 2012
года, после весеннего паводка.
Литература
1.
2.
3.
4.
Гидропроект при ВСНХ АРИВ №713-5. Рыболовное хозяйство «Пихтовка» совхоза «Воткинский» Удмуртской АССР. – М., 1964.
Касаткин В.В., Трефилов Е.Г., Пантелеева Л.А. Выбор турбины для
микроГЭС // Научный потенциал - аграрному производству: материалы
Всроссийской науч. практ. конф. – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская
ГСХА, 2008.– С. 135-140.
Кораблев А.Д. Экономия энергоресурсов в сельском хозяйстве. – М.:
Агропромиздат, 1988.
Носков В.А., Трефилов Е.Г., Нелюбина Д.Д. Выбор генератора для
микроГЭС // Научный потенциал - аграрному производству: материалы
174
5.
Всроссийской науч.- практ. конф. – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская
ГСХА, 2008. С. 45-48.
Малая гидроэнергетика / Л.П. Михайлов, Б.Н. Фельдман, Т.К. Марканова и др.; Под ред. Л.П. Михайлова. – М.: Энергоатомиздат, 1989. –
184 с.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСТЕНИЯ КАК ИСТОЧНИК
ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ
Канд. техн. наук В.В. Чумаков, Д.В. Зимницкий
(РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского
хозяйства», г. Минск)
Дефицит энергоносителей в целом в мире, и прежде всего в
странах Европы, ускоренными темпами приводит к повышению цен
на них и одновременно к поиску альтернативных источников энергии. Наряду с технологией экономного использования традиционных видов топлива, таких как нефть, газ и уголь, получило развитие
относительно новое направление – биоэнергетика.
Как показано на рис. 1, в период с 1980 года до настоящего
времени потребление энергии в мире непрерывно растет [1].
Рис. 1. Динамика мирового потребления энергии по видам топлива
175
Следует отметить, что рост потребления энергии сопровождается заметным потеплением атмосферы. Начало роста глобальной
температуры по времени совпадает с началом роста промышленного
производства, как это показано на рис. 2 [2].
Рис. 2. Реконструкция глобальной температуры северного полушария
с 1000 года до настоящего времени
Производство углеводородного топлива приносит огромные
прибыли странам, на территории которых находятся источники углеводородного сырья. Энергия, получаемая при сжигании углеводородов, приносит в нашу жизнь комфорт, но последствия такого бездумного поведения чреваты катастрофой и для тех, кто потребляет и
для тех, кто добывает ископаемое топливо. Кроме того, доходы от
производства углеводородов расслабляют экономики государствпроизводителей и снижают экономическую активность населения,
ставя государства-производители, по сути, в наркотическую зависимость от ископаемого топлива.
Как сохранить жизнь в комфорте и избежать катастрофы?
Все известные источники энергии имеют свои недостатки. Атомная
энергия не производит вредные выбросы, но является, по сути, энергией в долг, в связи с необходимостью многие тысячи лет надежно
хранить радиоактивные отходы. Никто не может дать гарантии, что
политические изменения в стране, которая хранит эти отходы, не
приведут к нарушению герметичности хранилищ за такой длительный срок. Гидроэлектроэнергия имеет малый потенциал и не может
обеспечить все потребности в электроэнергии. Гидроэлектростанции
176
нуждаются в значительном перепаде уровней воды, однако такие
условия существуют только в горной местности, обладающей, как
правило, высокой сейсмической активностью. В равнинной местности создание необходимого перепада уровня сопровождается затоплением земель, пригодных для использования.
Ветроэнергетика имеет достаточный потенциал для удовлетворения всей мировой потребности в энергии, но потоки воздуха с
необходимой для энергетики скоростью труднодоступны, т.к. находятся на значительной высоте. Работы по созданию недорогого устройства для получения энергии ветра на необходимой высоте ведутся во всех промышленно развитых странах мира, но результат пока
не достигнут.
Солнечная энергетика также имеет необходимый потенциал
и движется по трем направлениям: прямое преобразование солнечного света в электроэнергию, преобразование солнечного света в
энергию пара с последующим преобразованием в электроэнергию с
помощью турбин и производство только тепловой энергии в гелиоколлекторах для нужд отопления и горячего водоснабжения. Фотоэлектрические преобразователи имеют низкую эффективность и высокую стоимость, и по этой причине – незначительное распространение. Преодолеть проблемы высокой себестоимости процесса очистки полупроводников, необходимых для производства фотоэлектрических преобразователей, пока не удается. Выход видится в использовании дешевых наноантен, преобразующих электромагнитные волны света в электромагнитный сигнал в металлических проводниках, но в настоящее время ещё не преодолены трудности по
выпрямлению такого сигнала. Преобразование солнечной энергии в
пар сталкивается, в основном, с проблемой использования больших
площадей земли, но в районах с пустующими землями становиться
выгодным. Геотермальная энергия, в настоящее время, применяется
только в тех районах, в которых геотермальные источники подходят
близко к поверхности земли, но имеет неограниченный потенциал и
впоследствии может стать основным источником энергии. Почти все
вышеперечисленные способы получения энергии требуют значительных капиталовложений. Время реализации некоторых проектов
исчисляется десятилетиями. Не исключается также влияние на климат таких источников энергии вследствие отбора части энергии,
циркулирующей в энергетических процессах природы.
177
Наиболее доступной и не требующей значительных капитальных вложений в оборудование, является энергия, извлекаемая
при сжигании биомассы. При таком сжигании высвобождается углекислый газ в количестве, равном поглощенному за время жизни
растения. Использование энергетических растений представляет
определенный интерес как один из возобновляющихся источников
топлива. Данная технология получает все большее распространение в странах Западной Европы. Ряд ведущих фирм, в том числе –
производителей сельскохозяйственной техники, предлагают технологии и машины для возделывания энергетических посадок. Преимуществом возделывания энергетических растений является возможность применения традиционных машин для уборки кормов (в
отдельных случаях требуется использование специальных сменных
адаптеров), что позволяет более рационально использовать дорогостоящие машины. Например, уборка посадок быстрорастущих деревьев осуществляется в осенне-зимний период при помощи кормоуборочных комбайнов со специальным адаптером. Выращивание энергетических растений благоприятно сказывается на плодородии почв. Эти растения не имеют вредителей и не нуждаются в
сложном уходе.
Применение такого энергетического растения как мискантус
(«слоновая трава») позволяет получать урожайность не менее 18 т/га
при энергетическом выходе при сжигании сухой массы 17-19
МДж/кг. При благоприятных условиях некоторые сорта мискантуса
позволяют получать до 60 т/га. Общая территория площадей пригодных для выращивания мискантуса в зоне отчуждения составляет
около 2,5 тыс. км2 (площадь сельхозугодий выведенных из использования после аварии на Чернобыльской АЭС). Использование топлива, полученного на основе мискантуса, выращенного на территории зоны отчуждения, позволит получать от 2 до 6% электроэнергии
от общего потребления Республики Беларусь и дополнительно тепловую энергию для отопления и горячего водоснабжения. Выделение дополнительной площади под выращивание мискантуса в размере 120 тыс. км2 (10% от общей площади сельхозугодий) позволит
полностью удовлетворить потребность Республики Беларусь в электроэнергии. Кроме мискантуса интерес представляют и другие растения, такие, как топинамбур, промышленная конопля, быстрорастущие сорта тополя и ивы и другие. Например, топинамбур позво-
178
ляет получать урожайность от 30 до 50 т/га в первый год выращивания. Энергетический выход составляет 18 МДж/кг.
Кроме энергетических растений дополнительным источником энергии могут служить растительные отходы сельскохозяйственного производства. В Республике Беларусь общее производство
топлива из растительных отходов (в состав которых входит солома
зерновых, стеблевая масса кукурузы, ботва картофеля, свеклы и
прочие) по нашим оценкам может составить не менее 7 млн. тонн
условного топлива.
Литература
1.
2.
BP Statistical Review of World Energy, June 2006.
Mann M.E., Bradley R.S., Hughes M.K. Northern hemisphere temperatures
during the past millennium: Inferences, uncertainties, and limitations //
Geophysical Research Letters. – 1999. - V.26. – P. 759-762.
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МЕТАНГЕНЕРИРОВАННОГО НАВОЗА, ПОМЕТА
Канд. биол. наук С.И. Тарасов
(ГНУ ВНИИОУ Россельхозакадемии, г. Владимир)
Согласно экспертным оценкам энергетической комиссии ЕС
использование установок по анаэробной переработке сельскохозяйственных отходов только в целях получения биогаза экономически
не целесообразно. Как свидетельствует мировой опыт, эффективность эксплуатации данных установок обусловлена, прежде всего,
снижением эмиссии токсичных, в том числе парниковых газов, наличием экологической и агрономической составляющих переработки навоза, помета в эффлюент – высококачественное, более безопасное для окружающей среды органическое удобрение. Экологические
преимущества метангенерации обусловлены эффективной санацией,
детоксикацией сбраживаемого навоза (помета). Сведения об эффективности использования сброженного навоза, помета в растениеводстве немногочисленны и противоречивы. Согласно сообщениям [14], эффлюент является более ценным органическим удобрением в
179
сравнении с нативным подстилочным и бесподстилочным навозом,
помётом. Работами специалистов АО Центр «ЭкоРос», СФР «Терра»
1 тонна эффлюента по своему воздействию на растение эквивалентна 60-100 тонн исходного навоза, помета [5]. Высокую эффективность применения сброженных удобрений исследователи обусловливают большей доступностью для растений элементов питания в
эффлюенте, улучшенными его реологическими свойствами. В работах [6-9] отмечалась равноценность удобрительного потенциала нативного и сброженного навоза, помёта. Вместе с тем имеются данные и о негативном воздействии эффлюента на свойства почвы,
урожай и качество сельскохозяйственных культур [10]. Такие свойства эффлюента, как узкое соотношение С:N, преобладание в эффлюенте анаэробных микроорганизмов, послужили поводом для
введения Международной Федерацией органического Земледелия
(IFOAM), Объединением Экологического Земледелия (ACOL) ограничений на его использование при производстве экологически чистой продукции растениеводства.
В представленном сообщении приведены результаты исследований по определению эффективности применения сброженного
навоза, помета в качестве органического удобрения в различных
почвенно – климатических условиях, выполненных в рамках координационной программы.
Исследования по изучению влияния метангенеpации на
свойства навоза, помета, определению эффективности пpименения
эффлюента в качестве органического удобрения проводились в аналитических лабораториях и на полях, расположенных вблизи биогазовых установок (с-з "Истpинский" Московская область; ОПХ "Центpальное" Саpатовская область; птицефабpика "Шуйская" Ивановская область; опытное поле ВНИИОУ Владимиpская область; к-з
«Большевик», Крым; опытное поле ЦНИИПТИМЭЖ, г. Запорожье;
свиноферма «Пярну», Эстония; свиноферма «Папардес», г. Огpе,
Латвия). Изменения агрохимических, физических, токсикологических,
биохимических,
микробиологических,
ветеринарносанитарных, гигиенических характеристик навоза, помета изучали
согласно требованиям «Программы испытаний метангенерирующих
установок». Динамику изменения содержания аминокислот в навозе,
помёте при различных режимах сбраживания определяли на анализаторе «Рэнк Хилгер».
180
Способ внесения нативного и сброженного навоза, помета во
всех хозяйствах, на опытных полях - поверхностный с последующей
заделкой удобрений в почву на глубину 16-18 см. Удобрительный
полив многолетних трав проводился перед их отрастанием. Агротехника возделывания культур - общепринятая для зон расположения биоустановок. Биологическую активность почвы изучали методом аппликаций, весовым методом с использованием фотопластинок, по интенсивности дыхания. Аналитические, микробиологические исследования почвы проводили общепринятыми методами.
Уборку урожая осуществляли сплошным поделяночным способом.
Качество урожая определяли согласно требованиям соответствующих стандартов. Статистическую обработку результатов всех опытов выполняли методом дисперсионного анализа.
В соответствии с результатами аналитических исследований
в процессе анаэробной переработки, независимо от ее температурного режима, ретенции, общее содержание основных биогенных
элементов питания (NPK), гумусообразующих веществ (целлюлозы,
лигнина, гемицеллюлозы) в навозе, помете не претерпело заметных
изменений. Вместе с тем в результате метангенерации значительно
повышалась в сбраживаемой биомассе концентрация аммонийного
азота (на 20-40 %), уменьшалось содержание общего углерода (на
15-30%), сухого, органического вещества, становились более узкими
соотношения C : Nобщ.; C : N - NH4. Увеличение содержания аммонийного азота снижало кислотность эффлюента. Метангенерация
обусловила гидролиз белков и заметное повышение в сбраживаемом
навозе, помете аминокислот (на 12-35 %). Наибольшим отмечалось
увеличение содержания гистидина, метионина, тирозина, трионина,
валина, пролина. Вместе с тем снижался, либо не изменялся уровень
аланина, глицина, изолейцина, лизина. Согласно литературным данным повышенное содержание аминокислот в сброженном навозе,
помете, как правило, оказывает позитивное действие на микрофлору
почвы, величину и качество урожая сельскохозяйственных культур.
В результате анаэробной переработки улучшались реологические свойства удобрений. В сравнении с нативным навозом, пометом в эффлюенте снижалось общее содержание взвешенных веществ, количество частиц крупного размера, понижалась плотность
биомассы. Возрастала гомогенность навоза, помета, равномерность
их поверхностного и внутрипочвенного внесения.
181
Метангенерация заметно улучшала ветеринарно-санитарные,
гигиенические, токсикологические характеристики навоза, помета.
Отмечалось снижение микробной обсемененности, численности
жизнеспособных семян сорных растений, яиц гельминтов. Уменьшались значения ХПК и БПК на 85-90 %, содержание подвижных
форм тяжелых металлов: никеля, меди - на 60 %, цинка - на 90 %.
В соответствии с результатами полевых опытов, в условиях
дерново-подзолистых, дерново-карбонатных супесчаных и суглинистых почв Центра России, Латвии, Эстонии действие эффлюента на
изменение физических, агрохимических, биологических и токсикологических свойств почвы не отличалось от влияния нативного навоза, помета. Ни в одном из вариантов опыта использование эффлюента, в сравнении с нативным навозом (пометом), не повышало
суммарную токсичность почвы, не оказало негативного воздействия
на интенсивность ее дыхания, целлюлозоразрушающую и протеазную активность. После внесения эффлюента в микробиоте почвы
доминировали анаэробные микроорганизмы на протяжении 2 недель. Однако во все последующие сроки наблюдений микробиоценозы почв, удобренные в одинаковых дозах эффлюентом и нативным навозом, пометом, не имели заметных различий и представлялись идентичными. В условиях дерново-подзолистой и дерновокарбонатной почв не установлены различия в действии нативного и
сброженного навоза (помета) на урожай и качество с.-х. культур.
На южных черноземах при использовании эффлюента прибавки урожая в среднем на 8-11% превышали их значения в сравнении с внесением нативного навоза, что, вероятно, было связано с
перегруппировкой основных видов почвенных микроорганизмов в
направлении повышения удельного веса агрономически более ценных бактерий (усваивающих минеральные формы азота, минерализующих органическое вещество, аммонификаторов) и снижения доли продуцентов токсичных соединений - грибов, актиномицетов. На
южных черноземах действие сброженного и нативного навоза на
качество культур было одинаковым.
Результаты многочисленных физико-химических, агрохимических, биохимических, токсикологических, микробиологических,
182
ветеринарно-санитарных, гигиенических исследований, проведенных в различных почвенно-климатических регионах, свидетельствуют о недостаточной мотивации ограничений использования эффлюента в качестве удобрения экологического земледелия. Вероятно, данные меры, введенные IFOAM, ACOL, носят превентивный
характер и в научном плане представляются малообоснованными,
требуют большей аргументации.
Литература
1.
Дубровскис В.С., Виестур У.Э. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. – Рига, “Зинатне”, 1988., с.169-171.
2. Plaixats J., et.al. Characterization of the effluent rusidee from anaerobic digestion of pig excreta for its utilization as fertilizer. – Agrochimica, 1988,
32, 2/3, p.236-239.
3. Vetter H., et.al. The infinence of different processing methods for slurry
upon its fertiliser value on grassland – Developments in plant and soil sciences. - 1987. V.30, p.73-86.
4. Morga, et.al. Biogas e biofertilizante a partiz de residuo organicos-Lavoura
Arrozeira, 1982. – v.25 (N338), p.6-22.
5. Родина Е.М. и др. Использование эмиссий метана из отходов для получения биогаза // Вестник КСУ, 2003, №6, с.6-14.
6. Тарасов С.И. Эффективность применения сброженного навоза КРС в
качестве органического удобрения // Агрохимия, 1991, N5, c.96-102.
7. Мерзлая Г.Е., Слизовская Н.А. Применение сброженного куриного
помета в качестве удобрения. // Анаэробная биологическая обработка
сточных вод. Тезисы докладов. Кишинев, 1988, с.159-160.
8. Визла Р.Р. Эффективность действия сброженного навоза // В кн.:
Удобрение полевых культур в системе интенсивного земледелия". –
Рига, 1990. с.43-59.
9. Гринблат Г.Я. Ферментированные отходы свиноферм – качественное
удобрение. // "Биотехнология вторичных органических субстратов". –
Рига, 1990, с.13-18.
10. Девес Т. Хозяйственное использование животноводческих стоков в
экологическом земледелии. // Земледелатель. 1992. - М.: “ПрогрессПангея”, Х.: Лебен унд Умвельт, 1992, с.110-126.
183
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА
Канд. техн. наук Н.П. Мишуров
(ФГБНУ «Росинформагротех»)
Использование помета для получения энергии позволяет решать не только энергетические, но и экологические проблемы. Поэтому в настоящее время активно разрабатываются технологии и
оборудование для реализации этого перспективного направления на
практике. Так, группа канадских компаний разработала технологию
и выпускает оборудование для сушки помёта с последующим сжиганием полученного продукта с целью получения тепловой и электрической энергии. Весь комплекс оборудования состоит из двух
основных частей: оборудования для сушки помета и пылевой топки
высокой интенсивности [1].
Для сушки помёта выпускается комплекс оборудования, который помимо сушки одновременно обеспечивает и измельчение
пометной массы. Процесс обезвоживания исходной пометной массы
в BPS осуществляется под воздействием двух факторов: больших
центробежных сил и высокой температуры. Пометная масса загружается в рабочую камеру с вращающимся в ней ротором (угловая
скорость - до 178 м/с). Под действием возникающих центробежных
сил из внешней поверхности пометной массы начинает выделяться
вода. Последующее измельчение исходной массы в результате воздействия на нее рабочих органов ротора приводит к увеличению
площади поверхности пометной массы, что активизирует процесс
выделения из нее воды под действием центробежных сил.
В процессе измельчения пометной массы происходит нагрев
частиц продукта (за счет взаимодействия продукта с рабочими органами ротора, вращающимися с высокой угловой скоростью и отражательными пластинами, установленными на корпусе камеры) за
короткий промежуток времени выше 100 оС, в результате чего оставшаяся в нем вода превращается в пар. Пар выделяется из частиц
и мгновенно превращается в очень мелкие капельки воды, поскольку температура внутри камеры ниже 90 оС, и выводится из камеры.
В результате сушки, измельчения и обеззараживания пометной мас-
184
сы с исходной влажностью ~ 30% на выходе из системы BPS получают сухой порошок влажностью 10-12%.
Для сжигания полученного сухого порошка используются
пылевые топки высокой интенсивности, которые были разработаны
специально для эффективного и полного сжигания трудносжигаемых видов топлива в соответствии с самыми жёсткими требованиями нефтехимической промышленности. Пылевая топка может устанавливаться как на новые паровые котлы (в том числе и российского
производства), а также и при их реконструкции. Сухой помёт сжигается практически полностью. Циклонное вращение пламени в топке
приводит во вращение газы в камере сгорания, центробежные силы
прижимают золу к стенкам камеры сгорания и она падает вниз камеры сгорания, где автоматически удаляется. Часть золы, которая
уносится газами (незначительное количество) и оседает на трубах
котла, состоит только из сухих негорючих веществ и удаляется автоматически сжатым воздухом системы очистки парового котла.
Основными достоинствами пылевых топок являются: соответствие самым жестким экологическим стандартам; обеспечение
полного сжигания биомассы (100% биологического состава); эффективность, стабильность и управляемость технологического процесса; способность работать одновременно на смеси из порошкообразного, жидкого и газообразного топлива; низкий уровень шума (менее 85 дБ); компактность и др.
Специалисты Ковровского завода котельно-топочного и сушильного оборудования ООО «СОЮЗ» предлагают утилизировать
подстилочный помет путем сжигания с одновременным получением
тепловой энергии (в виде горячей воды) [2]. Для этого ими разработана установка, которая представляет собой функциональную автономную котельную (источник тепловой энергии для отопления,
производственных нужд и горячей воды). В основе котельной - котёл УТПУ-2М, адаптированный для работы на подстилочном помете. КПД работы котла незначительно зависит от качества топлива и
находится в районе 85%. Котлы представлены в широком мощностном диапазоне – 0,3 МВт; 0,5 ; 0,75 ; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 6; 8 МВт.
Конструктивное исполнение топки котла обеспечивает сжигание подстилочного помета, влажность которого может достигать
50%. В процессе сжигания топлива образуется тепловая энергия,
которая расходуется на нагрев воды в теплообменнике котла. Про-
185
цесс горения топлива в топке проходит при температуре 950-1000
о
С, что полностью исключает какие либо вредные выбросы в атмосферу. Процесс золоудаления выполняется транспортёрами в полностью автоматическом режиме. Контроль и управление всей котельной производится также в автоматическом режиме с помощью автоматики управления. Тестовый проект с мощностью котла в 3 МВт
был реализован заводом на ППЗ «Конкурсный» ООО «Загорский
Бройлер» (г. Сергиев Посад).
Достоинствами предлагаемой установки являются: решение
проблемы утилизации подстилочного помета в соответствии с
предъявляемыми экологическими требованиями; получение тепловой энергии в виде горячей воды, которая может использоваться для
отопления и горячего водоснабжения птицефабрики и расположенных рядом объектов; получение золы, которая может использоваться
в качестве минерального удобрения: содержит калий, фосфор, кальций, магний, сера, бор, марганец и другие макро- и микроэлементы.
Компания ООО «ЦентрИнвестПроект» предлагает технологию позволяющую перерабатывать помет в синтетический или генераторный газ (смесь СО и Н2 с теплотворной способностью 1200
Ккал), который является альтернативой природному газу, мазуту и
углю в паровых котлах, дизельному топливу - в дизель-генераторах
[3]. Синтез-газ из установок утилизации помета БиоРЕКС™ является универсальным сырьем для производства продуктов органической химии, включая моторные топлива (бензин и дизельное топливо) второго поколения.
Технология БиоРЕКС™ представляет собой объединение нескольких технологических процессов переработки помета, работающих в комплексе в полностью безотходном цикле и строгом соответствии требованиям природоохранного законодательства. Применяемые технические решения позволили создать технологическую линию - локальный энергетический комплекс (ЛЭК), перерабатывающий различные виды помета с влажностью до 90%. Автономные, модульные, мобильные (в размерах 6-ти и 12-ти метрового
морского контейнера) установки не требуют подключения к инженерным сетям, сложных подготовительных строительных и пусконаладочных работ.
Модуль ЛЭК-4500Н (рис. 1) мощностью 2,3 МВт (электроэнергии) и 4,16 МВт (тепловой энергии - 3,58 Гкал) размещен в га-
186
баритах семи 12-ти метровых контейнеров и перерабатывает 5,7 т
помета в час или 45 000 т/год. Узел газификации является двухъярусным (на рисунке второй ярус не показан).
Рис. 1. Схема компоновки модуля ЛЭК-4500Н:
1 – весовая платформа; 2 – приемный бункер; 3 – узел брикетирования; 4 – бункер подготовленного сырья; 5 – подача сырья в реактор;
6 – реактор газификации; 7 – скруббер; 8 – теплообменный аппарат;
9 – дизель-генератор
Технологический процесс, выполняемый локальным энергетическим комплексом выполняется следующим образом. Помет, поступающий на переработку, взвешивается на весовой платформе (1),
расположенной перед приемным люком. Система производит взве-
187
шивание автоматически. Далее отходы птицефабрики подаются
шлюзовым питателем, для обеспечения герметичности вакуумного
подогревателя, на модуль сушки (2). В модуле сушки помет с исходной влажностью 70-90% и температурой 200 оС поступает в вакуумный подогреватель конденсационного типа, где при давлении
0,07 МПа доводится до температуры кипения 390 оС. Испаренная
влага отводится водокольцевым насосом, создающим разряжение.
Далее подогретый и подсушенный в первой ступени сушилки помет
нагнетается винтовым насосом в высокотемпературном подогревателе и движется под давлением 2,5-3,5 МПа. Здесь сырье нагревается до температуры 2240 оС циркулирующим в рубашке высокотемпературным теплоносителем с температурой 2500 оС.
Затем через дросселирующий патрубок помет разбрасывается в бак, который находится под атмосферным давлением. Здесь при
сбросе давления происходит испарение влаги (23% от общего количества влаги). Выделившийся в баке насыщенный пар поступает на
утилизацию в вакуумный подогреватель, где он конденсируется и
охлаждается до температуры 600 оС, отдавая тепло на сушку помета
в первой ступени. Подсушенный помет из бака выгружается шлюзовым питателем в поток сушильного агента (дымовые газы) исходящий из теплогенератора и пневмотранспортом подается совместно с
ним в валковую сушилку. После сушки помет поступает на брикетирование (3). Количество куриного помета, поступающего на брикетирование (с учетом его влажности), составляет 2,57 т/ч. После брикетирования сырье поступает в бункер подготовленного сырья, объемом 75 м3 (4), который обеспечивает суточный запас.
В бункере (4) брикетированное сырье подается к шнековому
каналу (5), по которому масса поступает к реакторам термохимической конверсии (6) для выработки горючего газа. В бункерах и на
линии сортировки создается разряжение воздуха для препятствия
распространению запахов. Из реакторов паро-газовая смесь поступает в аппарат вихревой газоочистки (7), где очищается от примесей
пара, частиц золы и масел. Отобранные из газа примеси автоматически собираются и возвращаются в бункер готового сырья на дожиг.
Очищенный газ поступает на теплообменный аппарат (8), где охлаждается со 140 до 40 оС. Далее охлажденный и очищенный газ поступает в дизель-генераторы (9) для производства электроэнергии.
Выхлопные газы дизель-генератора с температурой 600 оС собира-
188
ются и частично направляются в реакторы (6), и частично на теплообменный аппарат.
Зола, образующаяся в процессе конверсии, извлекается из
реактора (6) автоматически при температуре 100-120 оС и поступает
в устройство электромагнитной активации (10) для выделения из
состава золы примесей металлов. Разделенные зола и металлы поступают в накопительные бункеры объемом 1м3. В модулях предусмотрена звукоизоляция и вентиляция.
Технология БиоРЕКС™ позволяет подавать на газификацию
частицы сырья толщиной до 10 мм и длинной до 200 мм. Возможна
переработка подстилочного помета с соломой, опилками, зерном. Реакторы конструкции БиоРЕКС™ позволяют перерабатывать одновременно несколько видов углеродсодержащего сырья в смеси, что положительно сказывается на энергетическом балансе установки.
Литература
1.
2.
3.
Рабинович В. Канадская технология утилизации куриного помета
[Электронный ресурс]. URL: http: //webpticeprom.ru › ru/articlesprocessing-…(дата обращения 17.01.2012).
Утилизация куриного помета и других отходов [Электронный ресурс].
URL: http: //www.soyuz-online.ru (дата обращения 17.01.2012).
Оборудование для утилизации и переработки птичьего помета, отходов
птицефабрик с получением газа, топлива, энергии [Электронный ресурс]. URL: http: //biorex.ru › index.php/type-of-trash/pomet (дата обращения 25.01.2012).
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА
АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ
ЖИВОТНОВОДСТВА
Г.В. Макарова, А.А. Можаров
(ФГБОУ ВПО «Великолукская государственная
сельскохозяйственная академия», г. Великие Луки)
Анаэробное сбраживание – поэтапное разложение бактериями органического вещества в бескислородных условиях, в результате которого образуется биогаз, содержащий около 65% метана. Наиболее приемлемо анаэробное сбраживание отходов животноводства,
189
так как помимо получения биогаза позволяет осуществить обеззараживание и дезодорацию сбраживаемой массы.
Перспективным техническим решением является применение электротехнологий при подготовке органического субстрата к
сбраживанию. Они позволяют значительно интенсифицировать процесс анаэробного сбраживания и увеличить количество получаемого
биогаза.
Германской компанией Sonotronic был разработан ультразвуковой реактор для предварительной обработки органического
субстрата, перед его непосредственной загрузкой в реактор анаэробного сбраживания. Реактор состоит из корпуса, в котором расположено 5 ультразвуковых излучателей и блока генераторов, включающего в себя 5 генераторов тока ультразвуковой частоты (см. рис. 1)
[1].
Рис. 1. Схема устройства и работы ультразвукового реактора
Sonotronic
Ультразвуковой реактор работает в проточном режиме, при
этом конструкция корпуса реактора выполнена таким образом, чтобы обеспечить наилучшую обработку протекающего в нём субстрата, то есть ультразвуковое воздействие направлено против потока
движения субстрата.
Под воздействием ультразвуковой волны в обрабатываемой
массе возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого
190
достигает порядка нескольких атмосфер. Растягивающие усилия в
области разрежения волны приводят к образованию пузырьков, заполненных газом и паром. Кавитационные пузырьки возникают в
фазу разрежения ультразвуковой волны, однако следующая за разрежением фаза сжатия приводит к их захлопыванию. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая громадные давления. Результатом возникающих давлений
является гомогенизация и диспергирование обрабатываемого субстрата, разрыв сложных связей органических веществ на молекулярном уровне. Таким образом, бактериям, участвующим в процессе
образования биогаза, становится легче разлагать биогенные материалы.
К положительным результатам ультразвуковой обработки
можно отнести: высокую степень измельчения (до 0,1–8 мкм), гомогенизации и дисперсности сырья, следствием которых является интенсификация производства биогаза; отсутствие пенообразования и
плавающей корки в верхней части реактора.
Достоинством данной электротехнологии являются простота
и надёжность конструкции устройства обработки.
Основным недостатком ультразвуковой обработки является
относительно высокое энергопотребление, так как с прекращением
ультразвукового воздействия, кавитация в обрабатываемой массе
также прекращается.
Рис. 2. Схема устройства обработки органического субстрата
импульсным электрическим полем
191
Американской компанией OpenCEL, специализирующейся
на исследованиях и изготовлении оборудования для обработки
сточных вод, был предложен метод и разработано устройство для
обработки органического субстрата импульсным электрическим полем (см. рис. 2) [2].
Обработка органического субстрата производится в потоке,
при этом конструкция устройства выполнена таким образом, что
электрофизическое воздействие на субстрат осуществляется
дважды.
При подаче импульсов между электродами возникает импульсное электрическое поле воздействующее на протекающий в
трубопроводе органический субстрат. Мембраны клеток органического сусбтрата концентрируют воздействующее на них электрическое поле, что приводит к перестройке структуры мембраны и образованию в ней пор (эффект электропорации). Разрушение клеточных
мембран при этом приводит к выпуску внутреклеточного вещества,
которое становится более доступным для бактерий учувствующих в
образовании биогаза. Таким образом, за счёт разрушения мембран
клеток и выпуска внутриклеточного вещества, органическое вещество становится более доступным для разложения бактериями учавствующим в метаногенезе.
Достоинствами данного метода электрофизического воздействия на органический субстрат являются: простота конструкции
устройства обработки.
Недостатками данного метода электрофизической обрабатки
органического субстрата является электрический износ электродов и
электрическая эрозия трубопровода, в котором осуществляется обработка субстрата.
Не менее интересными являются разработки Саратовского
государственного аграрного университета имени Н. И. Вавилова, а
именно диссертационной работы к.т.н. Наумовой Ольги Валерьевны, проводившей исследование по обработке субстрата электрогидравлическим ударом при его подготовке к анаэробному сбраживанию.
На рис. 3 представлена схема устройства предложенного
О. В. Наумовой [3].
192
Рис. 3. Схема устройства обработки органического субстрата
электрогидравлическим ударом
Устройство состоит из ёмкости с дном параболической формы, двух пар электродов и генератора импульсов.
При подаче импульса на электроды, между ними возникает
искровой разряд, вокруг которого образуются сверхвысокие гидравлические давления (эффект Л.А. Юткина). Следствием этих давлений является гидравлический удар. Вначале срабатывает одна пара
электродов, с меньшим расстоянием, а затем – другая, это позволяет
создать разряд в виде волны. Воздействие электрогидравлическим
ударом приводит к разрушению клеток биомассы, делая тем самым
органический материал более доступным для бактерий, участвующих в образовании биогаза, а также способствует диспергированию
и гомогенизации органического субстрата.
Основным недостатками данного метода электрофизической
обработки органического субстрата является износ электродов, между которыми осуществляется разряд.
К достоинствам можно отнести более высокий уровень выхода биогаза в сравнении с другими методами обработки, а также
увеличение содержания метана в биогазе.
В 2005 году немецкий изобретатель Тонио Мейер запатентовал устройство предварительной обработки органического субстрата
постоянным магнитным полем (рис. 4) [4].
193
Рис. 4. Схема устройства обработки органического субстрата
постоянным магнитным полем
На трубопровод транспортировки органического субстрата
устанавливаются постоянные магниты, при этом первый ряд магнитов устанавливается северным полюсом к трубопроводу, второй
южным, третий снова северным и т.д. При таком расположении магнитов магнитные линии направлены от северных полюсов одного
ряда магнитов к южным полюсам другого ряда. Размеры магнитов
выбираются так, чтобы магнитная индукция в трубопроводе составляла 0,15– 0,18 Тл.
Таблица 1. Основные показатели влияния электротехнологий
Электротехнологии
Показатели
Увеличение количества биогаза
Содержание метана в биогазе
Сокращение биотвердых частиц, %
Энергопотребление, кВт·ч/м3
ультразвуковая обработка
обработка
электрогидравлическим
ударом
обработка
импульсным электрическим
полем
обработка
магнитным полем
40...60%
до 70%
до 60%
20...50%
65...75%
65...75%
65%
65%
до 35%
до 40%
нет
нет
4
10
7
нет
194
В момент прохождения органического субстрата по трубопроводу, на него воздействует постоянное магнитное поле, создаваемое магнитами. Под влиянием внешнего магнитного поля изменяется проницаемость мембран клеток органики, что в свою очередь
делает внутриклеточный органический материал более доступным
для разложения бактериями, участвующими в образовании биогаза,
что приводит к интенсификации процесса анаэробного сбраживания
и увеличению количества получаемого биогаза.
Достоинствами данного устройства являются простота и надёжность конструкции устройства, его долговечность, отсутствие
энергетических затрат при достаточно высоком эффекте оказываемом на увеличение выхода биогаза.
Проведённый анализ существующих электротехнологий позволяет сделать вывод о том, что наиболее перспективным является
воздействие магнитного поля на органический субстрат, так как при
полном отсутствии энергетических затрат, позволяет получить высокую эффективность интенсификации процесса анаэробного сбраживания.
Литература
1.
2.
3.
4.
High-Output Ultrasonic Reactor. – URL:
http://www.sonotronic.com/products/environmental-engineering/highoutput-ultrasonic-reactor. Дата обращения: 31.01.2012.
Пат. 6540919 США. МПК C02F1/46, C02F1/461, C02F11/12, C02F11/18,
C02F3/12, C02F1/00. Method of treating waste-activated sludge using electroporation / Held Jeffry, Chauhan Satya. – Опубл. 1.04.2003.
Наумова О.В. Совершенствование электроимпульсной технологии при
получении биогаза из органических отходов: Дисс. ... канд. техн. наук.
Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова. – Саратов, 2005. – 118 с.
Патент № 102005031873, Германия. МПК С02F 11/04, C10L 3/00. Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm / Tonio Meier. –
Опубл. 29.12.2005.
195
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПОСОБА ДВУХСТАДИЙНОГО
КУЛЬТИВИРОВАНИЯ В ПОИСКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ
ШТАММОВ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
БИОТОПЛИВА
Канд. биол. наук Н.И. Чернова, канд. биол. наук Т.П. Коробкова,
канд. тех. наук Н.В. Радомский, канд. физ.-мат. наук
С.В. Киселева, канд. физ.-мат. наук С.И. Зайцев,
О.Ю. Гайнанова
(НИЛ возобновляемых источников энергии
МГУ им. М.В. Ломоносова, г.Москва)
В течение длительного времени в лаборатории возобновляемых
источников
энергии
(ВИЭ)
проводятся
научноисследовательские работы по выращиванию биомассы микроводорослей как для целей энергетики, так и для ее комплексного использования в качестве кормовых и пищевых добавок. В настоящее время одним из направлений лаборатории является поиск новых нетрадиционных видов сырья для энергетических целей. В частности,
проводится изучение и поиск культур микроводорослейпродуцентов липидов для производства жидких биотоплив. Такой
интерес к водорослям определяется тем, что их биомасса имеет ряд
привлекательных свойств и удовлетворяет большинству требований,
предъявляемых к растительному энергетическому сырью [1-5]. Основную задачу авторы видят в расширении поиска в природных условиях штаммов, адаптированных к предполагаемым районам выращивания. Актуальным представляется создание коллекции промышленных штаммов микроводорослей–продуцентов липидов, в
том числе толерантных к выращиванию при низких температурах.
С этой целью летом 2011 г. были проведены две экспедиции
для взятия образцов и дальнейшего выделения из них липидосодержащих водорослей:
1. Карелия. Привлекательность Карелии в качестве региона
экспедиционных работ по сбору образцов для дальнейшего выделения микроводорослей определялась хорошо развитой гидрографической сетью, относящейся к бассейнам Белого (57%) и Балтийского
морей (43%). Для альгофлоры карельских водоемов характерно преобладание космополитных форм (73%) при существенной доле бо-
196
реальных (16%) и северо-альпийских (11%) видов, что свидетельствует об их холодолюбивости; именно это являлось важным моментом при выборе региона для поиска продуцентов липидов, с ориентацией на дальнейшее их использование в климатических условиях
России. Существенным аргументом при выборе района явилось
также видовое разнообразие диатомовых и зеленых водорослей, поскольку оба типа превалируют в списке продуцентов липидов [6].
Работы проводились в нескольких районах республики Карелия,
преимущественно в южной, юго-восточной и юго-западной ее части.
Было обследовано 19 озер и 3 минеральных источника, из которых
отобрано 30 проб.
2. Камчатка. Пробы были взяты из озер и термальных источников юго-восточной части Камчатского края (район городов
Петропавловск-Камчатский, Елизово и поселков Термальный, Паратунка, Малки), а также из Начикинского озера и из кальдеры вулкана Узон. Выбор региона исследований определялся рядом причин и
важнейшей из них является наличие на Камчатке исключительных
природных факторов: экстремальные климатические условия, выходы термальных источников, вулканическая деятельность, изолированность Камчатки от материка, существование эндемичных видов.
На Камчатке для дальнейших исследований собрано 32 образца.
Во всех пробах в основном обнаруживались представители
Bacillariophyta, Chlorophyta, Cyanophyta. Из зеленых микроводорослей преобладали представители родов Closterium, Scenedesmus,
Ankistrodesmus, Gonium. Диатомовые были представлены микроводорослями из родов Navicula, Nitzschia, Fragillaria, Tabellaria. Из
сине-зеленых в большинстве проб обнаружены микроводоросли из
родов Anabaena, Oscillatoria, Aphanizomenon. Поиск липидосодержащих штаммов микроводорослей осуществлялся по предложенной
нами методике пре-скрининга с использованием судановых красителей. Показано, что использование Судана черного В для качественного определения наличия липидов в клетках микроводорослей дает
возможность выявить уже в пробах из природных источников потенциальных продуцентов липидов без тотального выделения всех
культур, что существенно сокращает объем работы. В докладе будут
представлены фотографии культур микроводорослей из экспедиционных проб Карелии и Камчатки, содержащих липиды, выявленные
разработанным методом. Полученные с использованием этого каче-
197
ственного метода результаты совпадают с количественным определением липидов в микроводорослях, что говорит о возможности использования его в альгологической практике при поиске микроводорослей – потенциальных продуцентов липидов. В результате проведения экспедиционных исследований, отбора проб и первичного
скрининга было выбрано несколько новых перспективных липидосодержащих культур для их включения в создаваемую коллекцию
микроводорослей.
Для количественного определения липидов в отобранных
штаммах микроводорослей необходимо вырастить некоторое количество биомассы нужного качества. Наиболее оптимальный способ
выращивания для этих целей - двухстадийное культивирование.
Этот способ объединяет все преимущества закрытых и открытых
культиваторов, избегая их недостатков. Фотобиореакторы (ФБР)
закрытого типа позволяют стабильно выращивать те водоросли, которые не могут расти в открытых культиваторах, обеспечивая непрерывную поставку высококачественного инокулюма. Помещение
выращенной биомассы в открытые культиваторы с большой степенью инсоляции и в питательную среду, лимитированную по азоту,
позволяет создать так называемый физиологический стресс для микроводорослей, при котором почти прекращается рост и происходит
аккумулирование в их клетках липидов. Для работ по культивированию микроводорослей-продуцентов целевых продуктов в лаборатории ВИЭ был разработан и смонтирован экспериментальный модуль
фотобиореактора для двухстадийного культивирования микроводорослей.
Важным элементом экспериментального модуля ФБР является система освещения, поскольку световой поток играет первостепенную роль в жизненном цикле микроводорослей. Интенсивность
фотосинтеза микроводорослей определяется фотонами с длиной
волны от 400 до 700 нм. Этот диапазон называется Photosyntheticaly
Active Radiation (PAR) или диапазон фотосинтетически активной
радиации (ФАР). Число фотонов в секунду в диапазоне от 400 до
700 нм, падающих на заданную поверхность, необходимо использовать для оценки количества света для процесса фотосинтеза. Каждый синий фотон несет больше энергии, чем красный (энергия синего фотона 2,4 эВ, красного – 1,6 эВ), т.о. синему фотону легче достичь микроводорослей, пройдя сквозь воду. Но Солнце преимущест-
198
венно излучает красные фотоны, поэтому микроводоросли используют синие фотоны из-за их качества, а красные — из-за их количества. Лабораторные тесты показали, что кривая восприимчивости
микроводорослями потока фотонов имеет два пика: 450 нм и 630 нм
(синий и красный спектр) и менее эффективна восприимчивость в
области около 550 нм (зеленый спектр)[7].Тем не менее, есть исследования, показывающие регулирующую роль зеленого света [8]. Таким образом, все фотоны из диапазона PAR играют определенную
роль в процессе фотосинтеза. Определение оптимального соотношения количества различных фотонов в общем потоке света для эффективного культивирования разных видов микроводорослей также
является одним из направлений исследований Лаборатории.
Для созданного в лаборатории ФБР разработана светодиодная система освещения [9], поскольку светодиоды имеют огромные
преимущества над традиционными лампами [10] (это и энергоэффективность, и долговечность, и самое важное, что светодиоды излучают 100% света, попадающего в диапазон ФАР). Режим коротких
вспышек, необходимый для темновой стадии фотосинтеза, легко
реализуется и не оказывает пагубного влияния на долговечность источников света. Разработанная нами светодиодная система освещения позволяет облучать микроводоросли фотонами разной длины
волны с регулируемой интенсивностью. Система освещения включает в себя светильники с белыми, красными и синими светодиодами фирмы Edison Opto. Для получения максимальной и равномерной
освещенности всей водной поверхности культиватора используются
рассеивающие линзы. С помощью прибора Flux Apogee (MQ-200)
осуществлены измерения освещенности поверхности кювет ФБР.
Для белого света – 250 μE/(м2×c) или μмоль/(м2×с), для красного –
270 μE/(м2×c) и для синего – 180 μE/(м2× c).
Фотосинтез растений, развивающихся в воздушной среде, и
микроводорослей, находящихся в воде, несколько отличается. Лучи
света могут пройти сквозь земную атмосферу, не встретив на своем
пути ни одной молекулы. Так происходит с большинством фотонов
солнечного света. Молекулы воды поглощают фотоны падающего
на него света и одновременно испускают в том же направлении такие же фотоны. Таким образом, вода оказывается прозрачной, и
большая часть падающего света переносится молекулами, но некоторые фотоны все же поглощаются, и их энергия расходуется на на-
199
гревание жидкости. Только верхний слой достаточно освещен, но
световой поток должен равномерно распределяться по всему объему
биомассы. С этой целью для культивирования микроводорослей в
ФБР предусмотрено перемешивающее устройство с возможностью
изменения скорости (от 0,6 см/с до 16 см/с).
Обогащение питательной среды углекислым газом осуществляется путем барботирования её газо-воздушной смесью через распылители. Предусмотрена регулировка концентрации СО2 в каждом
из культиваторов фотобиореактора отдельно. Контроль за составом
газо-воздушной смеси осуществляется с помощью газоанализатора
Drager X-am 7000 с диапазоном измерения 0,03-5%.
В Лаборатории накоплен огромный опыт по крупномасштабному выращиванию биомассы микроводоросли спирулины/артроспиры как в природных условиях Крыма, так и в тепличных
комплексах Подмосковья; в коллекции Лаборатории имеется несколько промышленно-значимых штаммов Arthrospira platensis
(NORDST.) GEITL. Учитывая наш опыт работы с этой водорослью,
относительно простые технологии ее выращивания и получения
биомассы, мы осуществили культивирование микроводоросли A.
platensis. Шт. 1/02-П двухстадийным способом с целью повышения
содержания в ней липидов.
Наращивание инокулята-1 производят в стерильных пробирках размером (20 × 2) см с объемом среды Заррука 15 мл при освещении 30 μE/(м2×c), температуре 28ºС и периодическом встряхивании в течение двух недель (инокулят-1). Инокулятом-1 засевают закрытые ФБР объемом 1000 мл, наполовину заполненные стерильной
средой указанного выше состава. Дальнейшее выращивание культуры проводят при освещенности 60 μE/(м2×c) и температуре – 280С.
Плотность культуры в конце культивирования должна быть не менее 2.0г/л сухой биомассы (инокулят-2). Инокулятом-2 засевают
плоскостные открытые культиваторы созданного экспериментального модуля фотобиореактора, наполненные питательной средой Заррука объемом 20 л с применением барботажа смесью углекислого
газа и воздуха с содержанием СО2 2% (объемных). Освещение культиваторов обеспечивается светодиодными светильниками (освещенность 60 μE/(м2×c)). При таком способе культивирования достигалась продуктивность артроспиры по биомассе 10-12 г/м2 в сутки по
сухому весу. Биомасса микроводоросли отделяется от культураль-
200
ной жидкости фильтрацией на ситах из нержавеющей низкоуглеродистой проволоки с размером ячеек 150÷200 мкм. Содержание липидов в полученной биомассе составило (19,0±1,5)% (методика определения - на спектрофлуориметре с красителем нильским красным).
Кроме того, получение биомассы A. рlatensis шт. 1/02-П
осуществлялось в экспериментальном модуле фотобиореактора в
условиях физиологического стресса (повышенная инсоляция и питательная среда, лимитированная по азоту). Для получения посевного
материала использовалась среда Заррука такого же состава, как и
при обычном способе. На стадии получения посевного материла,
выращивание микроводоросли A. рlatensis шт. 1/02-П проводилось в
условиях описанных выше. А далее полученный инокулят-2 отделяют от культуральной жидкости фильтрацией и помещают в плоскостные открытые культиваторы экспериментального модуля ФБР,
заполненные 20 л питательной среды Заррука без азота, при этом
плотность культуры была относительно небольшая, чтобы созданный световой поток порядка 250 μE/(м2×c) за счет перемешивания
равномерно облучал биомассу. Голодание по азоту и высокая освещенность создают для культуры физиологический стресс, при котором дальнейший рост и развитие микроводорослей тормозится, но
стимулируется аккумуляция липидов в клетках. В условиях физиологического стресса культура микроводорослей выдерживалась в
течение недели. Биомасса микроводоросли отделялась от культуральной жидкости фильтрацией на ситах. Содержание липидов в
этой биомассе увеличилось и составило (30,9±0,2)%.
Выводы
1. В результате проведения экспедиционных исследований
(озера и термальные источники Камчатки и Карелии), отбора проб и
авторской методики пре-скрининга был осуществлен поиск и
отобрано
несколько
новых
перспективных
культур,
представляющих интерес для дальнейших исследований в качестве
продуцентов липидов – основы биотоплива. Эти культуры
включены в создаваемую в лаборатории ВИЭ коллекцию
микроводорослей энергетического назначения.
2. Выращивание
биомассы
спирулины/артроспиры
в
созданном экспериментальном модуле ФБР показало широкие
201
возможности использования его для целей энергетики, в частности
для получения биомассы с повышенным содержанием липидов.
Предлагаемая установка позволяет осуществлять двухстадийное
культивирование микроводорослей, объединяя все преимущества
закрытых и открытых культиваторов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства
образования и науки РФ (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России на 2007-2012 гг.» и ФЦП «Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России» на 2009-2013гг.»).
Литература
1. Чернова Н.И., Киселева С.В., Коробкова Т.П., Зайцев С.И.
Микроводоросли в качестве сырья для получения биотоплива //
Альтернативная энергетика и экология. 2008. №9. С.68-74.
2. Чернова Н.И., Коробкова Т.П. Ресурсные и экологические проблемы
энергетического использования биомассы // Возобновляемые
источники энергии: Лекции вед. специалистов. Вып.5. М.: Изд-во ЧеРо,
2008. С. 78-91.
3. Чернова Н.И., Коробкова Т.П., Киселева С.В. Инновационные
технологии биоэнергетики // Вестник Межд. академии наук экологии и
безопасности жизнедеятельности. С.-Пб., 2008. Т.13. №3. С.171-178.
4. Чернова Н.И., Коробкова Т.П., Киселева С.В., Зайцев С.И. Биомасса как
энергетический ресурс // Труды КубГАУ, 2009. № 4(19). С.203-208.
5. Чернова Н.И., Коробкова Т.П., Киселева С.В. Использование биомассы
для производства жидкого топлива: современное состояние и
инновации // Теплоэнергетика, 2010. № 11. С.28-35.
6. AquaFUELs Roundtable Proceedings, October 21st-22nd, 2010, Brussels.
AquaFUELs D 2.2 FINAL - www.aquafuels.eu/meetings -[Дата
посл.обращения 15.10.11].
7. Man R., Lieffers V.J. Seasonal Photosynthetic Responses to Light and
Temperature in White Spruce (Picea glauca) Seedlings Planted under an
Aspen (Populus tremuloides) Canopy and in the Open // Tree Physiol. 1997.
V. 17. P. 437-444.
8. Головацкая И.Ф. Регуляторная роль зеленого света в морфогенезе и
гормональном статусе растений: Докторская диссертация, 2009.
9. Чернова Н.И., Коробкова Т.П., Радомский Н.В., Киселева С.В., Зайцев
С.И., Гайнанова О.Ю. Экспериментальный модуль фотобиореактора
для двухстадийного культивирования микроводорослей – продуцентов
202
липидов // Физические проблемы экологии (Экологическая физика):
Сб. науч. трудов, М.: МАКС Пресс, 2012. №18. С.396-407.
10. Радомский Н.В. Сравнительный анализ продукции ведущих
производителей
белых
светодиодов//
Полупроводниковая
светотехника, 2010. №3. С.14-20.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УНИЧТОЖЕНИЯ
ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ НА УСТАНОВКЕ
СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ВОДНОГО ОКИСЛЕНИЯ
Д-р техн. наук. В.С. Григорьев, А.Г. Шошмин
(ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии)
Введение
Общеизвестно, что сельскохозяйственные стоки объектов
животноводства, а также большое количество образующихся отходов пищевой отрасли представляют серьёзную опасность для окружающей природной среды. Мировой технологией утилизации отходов агропромышленного комплекса (АПК) является метантенковая
технология. По причине высокой стоимости, длительного срока переработки и наличием побочных продуктов эта технология не является совершенной и недоступна основному количеству российских
сельхозпроизводств. В отечественной практике хозяйствования основная масса стоков в нативной форме вывозится на поля, а отходы – на полигоны ТБО.
Жидкие отходы, которые содержат 20 …25 % органических
веществ, при внесении в почву нарушают естественный баланс микроорганизмов, макро- и микроэлементов в почве. При этом технологии переработки отравленных грунтов требуют больших ресурсных
затрат. Примером может служить биоремедиация – применение
микроорганизмов и биопрепаратов для рекультивации загрязненных
нефтепродуками грунтов. Требуемое для этого время – 5…10 лет.
Примерами иных энергозатратных способов являются: экстракция с
использованием жидкостей (промывка, выщелачивание); флотация;
тепловая обработка (сжигание загрязненной почвы).
Такая ситуация делает целесообразной разработку новых энергоэффективных способов утилизации отходов АПК. К таким способам
следует отнести сверхкритическое водное окисление отходов.
203
Использование сверхкритической воды для энергоэффективных технологий связано с тем, что реакции окисления экзотермичны. При массовой доле органических веществ более 10%, затраты на
нагрев реакционной смеси компенсируются тепловой энергией, выделяемой в результате взаимодействия в сверхкритической воде органических веществ с окислительным реагентом. Ниже излагаются
результаты экспериментов с СКВО отходов пивоваренной промышленности, свиноводческих стоков и отходов спиртопроизводства.
Экспериментальная часть
В экспериментах использовался 5-литровый реактор, работающий в автоклавном режиме. Основными варьируемыми параметрами при работе на установке СКВО являлись: давление, температура рабочего процесса, время выдержки и избыток окислителя.
Таблица 1. Результаты уничтожения отходов на установке СКВО
(давление 24,0 МПа)
Исходное вещество
Свиноводческие стоки
Отходы спиртопроизводства
Фармакологические стоки
Отходы пивного производства
Исходный
ХПК,
мг
О2/л
Конечный
ХПК,
мг
О2/л
Окислитель
Температура
процесса, оС
Время
выдержки
τ,с
Избыток
окислителя
55000
136
Воздух
550
90
1,63
46000
30
Н2О2
600
120
3,52
21500
60
Воздух
и Н2О2
550
75
4,2
28600
0
320
Воздух
550
100
1,63
Для определения энергетического эффекта реакции окисления,
было использовано два метода: расчётный, определение энергетических характеристик органических продуктов путём вычисления удельной энергии тепловыделения каждого элемента входящего в состав
продукта; и экспериментальный метод, в котором измерялась энергия
204
поступающих веществ, определяемая работой, совершённой в замкнутом объёме реактора, по повышению давления внутри объёма.
Типичная зависимость давления от времени выдержки при
обезвреживании отходов пивного производства представлена на
рис. 1. По стандартной методике [1] измерялся уровень ХПК отходов в состоянии поставки и после гидротермального крекинга. В состоянии поставки уровень ХПК составил 288600 мг О2/л. Отходы
подавались в исследовательский реактор объемом 5 л с СК-водой.
После вывода реактора в СК режим (550 °С, 230 атм.) нагреватели
реактора выключались для возможности оценки теплового эффекта
реакции окисления отходов. Подача отходов велась порциями по 50
мл, время экспозиции каждой порции – 1 мин (реактор работал в
автоклавном режиме). Одновременно с отходами подавался воздух в
количестве 64 г. При истечении минутной экспозиции продукты реакции выводились из реактора. После этого в реактор вводилась новая порция отходов и воздуха. Регистрировалась временная зависимость p(t) давления в реакторе.
Рис. 1. Типичная зависимость давления внутри корпуса реактора
от времени
По горизонтальной оси отмечено время, вертикальное соответствует значению давления в реакторе. Минимумы соответствуют
моменту окончания удаления продуктов реакции из реактора, после
205
этого происходит заполнение реактора окислительным реагентом
(воздух) и дрожжевыми отходами, далее идёт выдержка 1 минута и
сброс.
Схематично зависимость p(τ) выглядит следующим образом
(рис. 2).
ДАВЛЕНИЕ, атм
Р = 240 атм
Р = 220 атм
40 с
ВРЕМЯ, с
ВПРЫСК
отходов и
воздуха
ОКОНЧАНИЕ
РЕАКЦИИ
СБРОС
ПРОДУКТОВ
РЕАКЦИИ
Рис. 2. Вид схематичной зависимости p(τ) реакции СКВО дрожжевых
отходов
Здесь величины давлений начала (22,0 МПа) и окончания
(24,0 МПа) реакции, время реакции (40 с) определены как средние
значения по выборке из 9 измерений (Рис. 1). Погрешность измерений составляет для величины давления ± 0,5 МПа, для времени - ± 5
с. Поскольку нагреватели реактора при СКВО отходов были выключены, рост давления от 22,0 МПа до 24,0 МПа следует объяснять
тепловым эффектом реакции окисления, проходящей в замкнутом
объёме.
Величину эффекта – количество тепловой энергии - оценивали, исходя из объёма реактора V = 5 ⋅ 10 −3 м3 и разницы давлений
Δр = 2,0 МПа :
A = Δp ⋅ V = 2.0 ⋅ 10 6 × 5 ⋅ 10 −3 = 10 4. Дж.
(1)
206
С учетом длительности реакции Δ τ = 40 с тепловая мощность, выделяемая при СКВО 50 мл отходов, составляет:
N = A / Δτ = 10 4 / 40 = 250 Вт.
(2)
С учетом электрического КПД турбины ≈ 20% и суточного
количества - 25 т - дрожжевых отходов производства пива электрическая мощность, которую возможно получить от СКВО-утилизации
отходов, составляет:
P = 0,2 × 250 × 25 ⋅ 106 / 50 = 25 Мвт.
(3)
По-видимому, такая величина сравнима с потреблением
электроэнергии основным производством. Использование этой энергии в основном производстве может существенно улучшить экономические показатели технологии производства пива.
Утилизация отходов при этом происходит в автотермичном
режиме и требует сторонней электроэнергии только для запуска
процесса.
Для оценки использования сверхкритического водного окисления смесей органических веществ содержащих нефтепродукты и
органических веществ, не содержащих нефтепродукты с водой с целью получения тепловой энергии. Проведен расчет их энергетических характеристик. Данные расчета представлены в табл. 2.
Таблица 2. Энергетические характеристики смесей органических
веществ с водой
Концентрация,
%
ХПК, 103
мг О2/
литр
(для органики)
3
16 - 24
10
53 - 80
15
80 - 120
20
105 - 160
Теплотворная
способность, кДж/кг
Полезная теплотворная
способность смеси,
кДж/кг
Органика с
НефтепроОрганика
дуктами
Органика
Органика
с Нефтепродуктами
400 - 650
1300
-1850 ÷ 1600
-1200
4370
-1200÷- 150
+2200
6555
-600÷ + 900
+4250
8740
+50÷ +2000
+6500
1300 2100
1900 3200
2700 4200
207
Для сравнительной оценки энергетической эффективности
использования органических смесей различного состава необходимо
рассчитать полезную, теплотворную Qп, которая определяется как
теплотворная способность смеси за вычетом энергии необходимой
для доведения воды из жидкого состояния до сверхкритического.
Для нагревания одного килограмма воды до сверхкритических параметров необходимо 2800 кДж тепла. Из приведенных результатов
видно, что энергетическим потенциалом, необходимым хотя бы для
поддержания сверхкритических параметров, обладают смеси содержащие не менее 12-15% органических веществ.
Обсуждение
Для смеси воды и нефтепродуктов такая теплотворная способность достигается при их содержании 7,5%. Это исключает весьма значительные затраты энергии на поддержание сверхкритического состояния реактора. При той же производительности (5 тонн в
сутки) энергетический потенциал будет составлять 160 – 175 кВт,
что позволяет получать около 50 кВт электроэнергии и до 70 кВт
тепла.
Таким образом, при уничтожении методом СКВО, возможно
реализовать энергию реакций окисления органических примесей в
виде тепловой и энерго-тепловой, которую можно получить в турбинах, что существенно снижает эксплуатационные затраты на
уничтожение сельскохозяйственных отходов.
Литература
1.
2.
3.
4.
РД 52.24.421-2007. Руководящий документ. Химическое потребление
кислорода в водах. Методика выполнения измерений титриметрическим методом. Дата введения 2007-04-02
Григорьев В.С., Соловьев Р.Ю. Перспективы применения технологии
сверхкритического водного окисления для уничтожения высокотоксичных веществ // Наука Москвы и регионов, 2003. №4, с.58-64.
Сороковиков А.И., Меренов А.В., Мушулов К.П. Экспериментальная
установка сверхкритического водного окисления для уничтожения высокотоксичных веществ ЭУ-28128-ГОСНИИ // ГОСНИТИ, МТС, 2004,
№1(4), с.54-56.
Соловьев Р.Ю., Сороковиков А.И.. Перспективы применения технологии сверхкритического водного окисления для уничтожения высокотоксичных веществ // ГОСНИТИ, МТС, 2004, №5, с.44-49.
208
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ
НЕИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВОЛОКНИСТЫХ ОТХОДОВ
СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА В ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ НА МИНЕРАЛЬНОМ СВЯЗУЮЩЕМ
ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
Н.В. Нечахин
(ФБУ «Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами» (ФБУ «НИЦПУРО»),
г. Мытищи, Московская обл.)
Теплозвукоизоляционные плиты (ТеЗИП) ТУ 63-070-ОП-9390 предназначены для утепления ограждающих конструкций и устройства звукоизоляционных прокладок или слоев жилых, общественных и промышленных зданий.
Цель и назначение работы – изготовление оборудования и
отработка технологии производства ТеЗИП из вторичного волокнистого сырья: отходов переработки продукции сельскохозяйственного назначения (солома, шелуха подсолнечника, гречихи и др.), текстильных отходов, отходов бумаги, картона, деревообработки, в том
числе содержащихся в ТБО; для организации рентабельного выпуска товарной продукции с реализацией на региональном рынке
стройматериалов.
Дополнительный эффект от разработки – снижение воздействия отходов на экологическую ситуацию, ресурсосбережение, возврат отходов в хозяйственный оборот, выпуск ТеЗИП из фракций
полученных при сортировке ТБО.
К настоящему времени проведены все исследования, разработаны конструкторская документация на опытно-промышленный
образец линии, технологическая инструкция и технические условия
согласованные с органами ГОСНАДЗОРА РФ. Часть основных узлов, входящих в состав линии, была изготовлена и испытана.
Технические требования. Предлагается к изготовлению линия для производства ТеЗИП со следующими показателями:
Производительность, куб. м/год (при 2-х сменной работе)
Обслуживающий персонал, чел./смена
Установленная мощность электродвигателей,
кВт
209
4050
3*
до 85
Габаритные размеры, мм
- длина
- ширина (формирование ковра/транспортер)
- высота
- масса, кг
7500*
3050/1500
3060
5470*
*Примечание: окончательные значения будут уточнены в процессе монтажа и эксплуатации линии.
Продукция (ТеЗИП) должна удовлетворять следующим требованиям:
Размеры, мм
1200х600х40
Плотность, кг/куб.м, не более
300
Теплопроводность, Вт/мК ( ккал/чм 0С), не более 0,095 (0,8)
При соблюдении технологического регламента плиты ТеЗИП
будут обладать стабильными физико-механическими и теплотехническими свойствами, не выделять токсических веществ и пыли в количествах, превышающих предельно допустимые значения.
Используемое сырье на период технологической наладки линии и выпуск опытной партии – текстильные отходы, отходы, отходы бумаги, картона, деревообработки.
Используемое связующее – гипс или др.
Ожидаемые результаты. Экономически выгодное решение
экологической проблемы использования различных отходов (в перспективе - отходов, не перерабатываемых до настоящего времени) в
материал строительного назначения. В дальнейшем предполагается
загрузка свободных машиностроительных мощностей заказами на
серийный выпуск линий по переработке названных отходов и реализация линий в РФ и за рубежом.
Этапы разработки и исполнители
1.
2.
2.1.
2.2.
Передача конструкторской документации на линию по производству ТеЗИП *
Комплектование и монтаж линии
Изготовление транспортера
Изготовление рамы для формирующей части
210
ФБУ «НИЦПУРО»
Заказчик
2.3.
2.4.
3.
3.1.
Изготовление узлов и деталей
Монтаж и техническая наладка линии
(включая обкатку на холостом ходу)
Технологическая наладка линии, отработка технологии выпуск опытной
партии ТеЗИП в объеме 40 куб. м
(1000 кв. м)
Обучение обслуживающего персонала (в процессе выполнения работ по
монтажу, технической и технологической наладке оборудования)
ФБУ «НИЦПУРО»
Примечание:
* - Объем конструкторской документации включает в себя чертежи
общих видов, спецификаций, узлов и деталей:
Наименование чертежей
Линия по производству теплоизоляционных плит (ТеЗИП).
Участок подготовки и формирования ковра
В том числе:
- Смеситель
- Шнек дозирующий с приемным бункером
- Шнек отжимной
- Разволокнитель
- Распределитель
- Кожух
- Рама
- Шнек
- Кожух
- Электрооборудование
- Детали
Устройство формовки теплоизоляционных плит
В том числе:
- Рама
- Электропривод
- Транспортер
№№ чертежей
257.01.000
Количество
чертежей
348 листов
257.01.00.000
257.02.00.000
257.03.00.000
257.04.00.000
257.05.00.000
257.06.00.000
257.07.00.000
257.08.00.000
257.09.00.000
257.05.00.000
257.00.00.001257.00.00.010
ТН 258.00.00.000
ТН 258.01.00.000
ТН 258.02.00.000
ТН 258.03.00.000
211
178 листов
- Вал натяжной
- Барабан
- Площадка натяжная
- Кожух
- Поддон
- Детали
ТН 258.04.00.000
ТН 258.05.00.000
ТН 258.06.00.000
ТН 258.08.00.000
ТН 258.09.00.000
ТН 258.00.00.001
Итого:
526 листов
Рис. 1. Схема получения строительных тепло-звукоизоляционных
плит и поточная линия для его осуществления:
1 - кипоразборщик; 2 - питающий транспортёр; 3 - вертикальный разрыхлитель; 4 - загрузочное окно; 5 - выходное окно; 6 - лопатки разрыхлителя; 7 - камера с форсунками; 8 - агрегат приготовления и подачи вяжущего; 9 - смеситель; 10 - вход смесителя; 11- выход смесителя; 12 - шнек; 13 - разрыхлительный механизм; 14 - калибрующий
узел; 15 - транспортёр; 16 - форма
Заказчик берёт на себя изготовление, монтаж и наладку оборудования, осуществляет опытную эксплуатацию и выпуск опытной
партии ТеЗИП, изучение рынка, поиск потребителей, сбыт готовой
продукции.
ФБУ «НИЦПУРО» совместно с Заказчиком проводят приемно-сдаточные испытания по согласованной программе испытаний
при сдаче линии в реальную эксплуатацию на объекте.
212
Рис. 2. Схема расположения линии по производству теплозвукоизоляционных плит (ТУ 63-070-ОП-93-90) из отходов:
1 - Промежуточный склад сырья; 2 - Склад вяжущего (гипс);
3 - Питающий транспортёр; 4 - Агрегат приготовления и подачи вяжущего; 5 - Перемешивающая часть; 6 - Формирующая часть
При выполнении монтажно-наладочных работ по пп. 2 и 3
обеспечение рабочей силой необходимой квалификации и количества, а также формирование основной бригады по дальнейшей эксплуатации линии предлагается возложить на Заказчика.
При выполнении технологической наладки и выпуске опытной партии Заказчик должен предусмотреть поставку за свой счет
необходимого сырья и материалов, количество и ассортимент которых уточняется в процессе выполнения работ.
Опытная продукция является собственностью Заказчика. Отношения Заказчика и ФБУ «НИЦПУРО» оформляются договором.
Ориентировочная стоимость проекта
1. Стоимость технической документации (в случае покупки):
конструкторской документации (526 чертежей), технологической
инструкции на производство ТеЗИП и технических условий –
1300000 руб. (один миллион триста тысяч рублей).
213
2. Стоимость изготовления основного технологического оборудования по экспертным оценкам (без стоимости измельчающего
оборудования и транспортировки) – определяется изготовителем,
выбор которого представляется Заказчику (~2000000 руб. (два миллиона рублей).
3. Станция приготовления и подачи связующего (без стоимости транспортировки) – определяется изготовителем (~100000 руб.
(сто тысяч рублей).
4. Авторское сопровождение проекта, включая командировочные расходы – 500000 руб. (пятьсот тысяч рублей).
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ САФЛОРА
В УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО КАЗАХСТАНА
Канд. сель.-хоз. наук Б.Б. Исабеков,
канд. сель.-хоз. наук А.А. Кашкаров
(ЮКГУ им. М.Ауезова, г. Шымкент, Казахстан)
Критерием эффективности той или иной агротехнологии
возделывания сельскохозяйственных культур является их экономическая оценка. С этой целью нами были определены затраты денежных средств на один гектар посева сафлора: прямые затраты на один
гектар посева и на проведение отдельных видов работ, связанных с
вспашкой при рекомендованной технологии возделывания, боронованием, подкормкой и обработкой посевов с гербицидом при прямом посеве стерневой сеялкой СЗС – 2,1. Определялись себестоимость семян, условно чистый доход и рентабельность производства.
Экономические расчеты проводились по сложившимся нормам в условиях Южного Казахстана, принятым Тассайским опорным пунктом ЮЗНИИЖиР. Исследования проводились по следующим вариантам: 1. Традиционная технология возделывания сафлора
(контроль); 2. Прямой посев СЗС-2,1(контроль); 3. Довсходовое внесение Дуал Голд 960 к.э. – 1,0 л/га + Прямой посев (СЗС-2,1);
4. Довсходовое внесение Дуал Голд 960 к.э. – 1,5 л/га + Прямой посев (СЗС-2,1); 5. Прямой посев сеялкой СЗС-2,1 + обработка посевов
по всходам гербицидом Арамо, 50 к.э.-1,5л/га; 6. Прямой посев се-
214
ялкой СЗС-2,1 + обработка посевов по всходам гербицидом Арамо,
50 к.э.-2,0л/га; 7. Прямой посев сеялкой СЗС-2,1 + обработка посевов по всходам гербицидом Пивот, 10% в.к.-0,5л/га; 8. Прямой посев
сеялкой СЗС-2,1 + обработка посевов по всходам гербицидом Арамо, 50 к.э.-0,8 л/га.
При расчете энергетической эффективности технологии возделывания сафлора в богарных условиях определялись затраты совокупной энергии, непосредственно связанные с выполнением работ
по технологическим картам. По результатам исследований 20062008 годов установлено, что при прямом посеве сокращение технологических операций на основную и предпосевную обработку почвы, внесение минеральных удобрений на контрольном варианте
обеспечило снижение расхода совокупной энергии на 38644,3 мДж.
В ходе исследований выявлено, что при прямом посеве на вариантах
с внесением минеральных удобрений и гербицидов затраты увеличиваются и составляют 887363,7мДж, что на 9167,8-47812,1 мДж/га
больше, чем на контроле. При этом наибольший расход энергии наблюдается на варианте с подкормкой и внесением гербицидов. Это
объясняется увеличением урожайности и связанных с ними затрат
(табл. 1).
Однако на вариантах при традиционной, общепринятой технологии возделывания (на контроле) и прямом посеве с исключением подкормки, механических и химических обработок полученная
энергия с урожая семян составила в среднем за три года 1062822,4 и
963182,8 мДж/га, которая лишь покрывает затраты энергии. При
этом чистый энергетический доход на этих вариантах соответственно составил в среднем 184626,5 и 123631,2 мДж/га, где биоэнергетические коэффициенты колебались в пределах 1,2 и 1,1; дополнительные расходы на внесение гербицидов окупились увеличением
продуктивности, где прирост энергии в урожае семян при довсходовом внесении гербицида Дуал Голд 960 к.э. -1,5л/га и при обработке
посевов по всходам Пивот, 10% в.к. -0,8л/га составил 1072215,11354527,3 мДж/га, что на 948583,9-1230896,1 мДж/га больше, чем на
контроле, где коэффициенты энергетической эффективности составили 2,2 и 2,5.
215
Таблица 1. Энергетическая эффективность возделывания сафлора
в зависимости от технологии возделывания
(в среднем за 2006-2008гг.)
Варианты опыта
Урожа
йность
878195,9
Получено
энергии с
урожаем
мДж/га
1062822,4
Чистый
энергетический доход,
мДж/га
184626,5
Энергетический
коэффициент
1,2
Затрачено
энергии
мДж/га
1
ц/га
6,4
2
5,8
839551,6
963182,8
123631,2
1,1
3
10,4
887363,7
1727086,4
839722,7
1,9
4
11,8
887363,7
1959578,8
1072215,1
2,2
5
8,8
887363,7
1461380,8
574017,1
1,6
6
8,6
887363,7
1428167,6
540803,9
1,6
7
10,8
887363,7
1793512,8
906149,1
2,0
8
13,5
887363,7
2241891,0
1354527,3
2,5
Результатами оценки экономической эффективности установлено, что при возделывании сафлора по рекомендованной технологии и применении гербицида Фронтьер 90% к.э.– 1,2 л/га прямые
затраты на гектар посева составили в среднем за три года 16977,4
тенге, при увеличении норм расхода до 1,4 л/га затраты на 1 га возросли на 718,2 тенге. Однако при этом условно чистый доход увеличился до 1975,0 тенге гектара, а себестоимость сафлора снизилась до
1805,6 тенге/ц. При допосевной обработке гербицидом Дуал-Голд на
прямых посевах сафлора затраты на 1 га уменьшились в 2,5 раза и
колебались в пределах 6804,2-6977,1тенге. Самая низкая себестоимость семян сафлора – 591,2 тенге/ц с условно чистым доходом с
1 га посева получена при обработке до посева гербицидом ДуалГолд нормой 1,5 л/га.
216
Результаты изучения химической обработки посевов по
всходам сафлора показали, что при рекомендуемой технологии с
применением гербицида Арамо 50% - 1,5 л/га затраты составили в
среднем 17655,7 тенге/га, увеличение нормы до 2,0 л/га сопровождалось повышением прямых затрат до 17695,6 тенге/га. Использование гербицида Арамо 50% к.э. при прямом посеве сафлора прямые
затраты снизились и составили 11100,1-11931,4 тенге/га в зависимости от нормы расхода препарата. Использование гербицида Пивот
10% в.к. в норме 0,5 -0,8 л/га при прямом посеве сафлора прямые
затраты снизились и составили 8917,2-10757,2 тенге/га в зависимости от нормы расхода препарата. Довольно высокие показатели, т.е.
условно чистый доход – 27442,0 тенге/га с низкой себестоимостью 1
центнера продукции 825,6 тенге/га, получены при норме расхода
Пивот 10% в.к. 0,5 л/га. Повышение нормы расхода этого препарата
до 0,8 л/га сопровождалось увеличением условно чистого дохода до
(34692,0 тенге/га) и повышением себестоимости продукции (796,8
тенге/ц).
Таким образом, при ресурсосберегающей технологии возделывании сафлора очень важен подбор гербицидов и сроки их внесения в сочетании с прямым посевом.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
СВЧ ПОЛЯ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИИ
НА КОНЦЕНТРАЦИЮ СЕРООРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ В КОТЕЛЬНЫХ ТОПЛИВАХ
О.Е. Аладинская, Ю.А. Кожевников, Ю.М. Егоров, В.В. Сербин,
канд. техн. наук В.Г. Чирков, С.В. Чирков,
д-р хим. наук Ю.М. Щекочихин
(ГНУ ВИЭСХ)
Ужесточение требований к содержанию серы во всех видах
топлива стимулирует поиск новых путей очистки углеводородного сырья от сернистых соединений и совершенствование существующих
технологий процессов обессеривания. Технология извлечения серосодержащих углеводородов из светлых моторных топлив в практике нефтепереработки хорошо известна и освоена практически на всех НПЗ.
217
Таблица 1. Паспорта котельных топлив (ГОСТ 10585-99)
Характеристики мазута (ГОСТ 10585-99)
Марка топлива
Показатели
Ф-5
Ф-12
40
100
1. Вязкость при 50 °С, не более:
условная, °ВУ
5,0
12,0
-
-
соответствующая ей
кинематическая,
мм2/с
36,2
89,0
-
-
2. Вязкость при 80 °С, не более:
условная, °ВУ
-
-
8,0
16,0
соответствующая ей
кинематическая,
мм2/с
-
-
95,0
118,0
3. Вязкость при 100 °С, не более:
условная, °ВУ
-
-
-
6,8
соответствующая ей
кинематическая,
мм2/с
-
-
-
50,0
4. Динамическая
вязкость при 0 °С,
Па·с, не более
2,7
-
-
-
5. Зольность, %, не более, для мазута:
малозольного
-
-
0,04
0,05
зольного
0,05
0,10
0,12
0,14
6. Массовая доля
механических примесей, %, не более:
0,10
0,12
0,5
1,0
7. Массовая доля
воды, %, не более:
0,3
0,3
1,0
1,0
8. Содержание водорастворимых кислот
и щелочей
Отсутствие
218
9. Массовая доля серы, %, не более, для мазута видов:
I
-
-
0,5
0,5
II
1,0
0,6
1,0
1,0
III
-
-
1,5
1,5
IV
2,0
-
2,0
2,0
V
-
-
2,5
2,5
VI
-
-
3,0
3,0
VII
-
-
3,5
3,5
10. Коксуемость, %,
не более
6,0
6,0
-
-
-
-
-
11. Содержание сеОтсутствие
роводорода
12. Температура вспышки, °С, не ниже:
в закрытом тигле
80
90
-
-
в открытом тигле
-
-
90
110
13. Температура застывания, °С, не
выше
-5
-8
10; 25*
25; 42*
14. Теплота сгорания (низшая) в пересчете на сухое топливо (не браковочная), кДж/кг, не менее, для мазута видов:
I, II, III и IV
41454
41454
40740
40530
V, VI и VII
-
-
39900
39900
15. Плотность при
20 °С, кг/м3, не более
950
960
Не нормируется. Определение обязательно
* Для мазута из высокопарафинистых нефтей
Основные серосодержащие соединения, которые необходимо
удалять из дизельной (ДФ) и бензиновой фракции (БФ), чтобы снизить
содержание с 300-500 ppm до требуемого уровня в 10 ppm, представлены в основном тиолами, бензтиофеном, дибензтиофеном и их алкильными производными. На крупных НПЗ используется технология
гидрообессеривания при давлении водорода 3МПа в присутствии ка-
219
тализаторов, которая позволяет получать дизельные и бензиновые топлива, удовлетворяющие современным требованиям.
Котельные топлива представляют собой жидкие смеси тяжелых продуктов переработки нефтяных фракций различных видов
(табл. 1): нефтяные мазуты, сланцевые и угольные мазуты, топочные
мазуты, использующиеся в стационарных установках. Химический
состав серосодержащих углеводородов (УВ) котельных топлив отличается от состава серосодержащих УВ светлых моторных топлив
ароматичностью органической матрицы [1, 2]. Органическая матрица состоит не из одного ароматического кольца, а из нескольких
ароматических колец соединенных алкильным мостиком, что значительно затрудняет процесс обессеривания.
В настоящее время известны следующие технологии: окислительные системы для превращения сернистых соединений, окислительное обессеривание на гетерогенных катализаторах, адсорбционные методы окислительного обессеривания, окислительное обессеривание в жидкой фазе, алкилирование, электрохимическое обессеривание, плазменное, озонирование, обессеривание в сверхкритической воде и ультразвуковая обработка.
В процессе проведения экспериментальных работ использовались методы электромагнитного СВЧ поля и ультразвукового кавитационного воздействия на образцы мазутов марки-М100 [3, 4, 5]
в присутствии водного раствора пероксида водорода без межфазного катализатора. Исследовались 200 образцов проб. Обработка образцов проводилась на УЗДН –1,5 в интервале частот от 15 до 60
кГц (рис. 1) и двух магнетронном электромагнитном СВЧ генераторе на частоте 2450 кГц (рис. 2) при раздельном и одновременном
воздействии на образцы. Измерение исходного и конечного показателя серы (Sобщ) производили рентгенофлюоресцентным методом на
аппарате « Спектрон-S». При ультразвуковой обработке образца мазута в присутствии водного раствора пероксида водорода образуются три слоя: окисленный мазут верхний слой), остаток (нижний
слой) и водный слой (средний). Время экспозиции составляло 1, 1,5,
2, 3 и 10 минут. Заметный результат наблюдался на 2 минутах экспозиции, снижение количества серы происходило на 45%. 10 минут
экспозиции в закрытой системе приводит к обратной реакции
(рис. 2).
220
Рис. 1. Лабораторный ультразвуковой диспергатор
ЛУЗД-1,5/1П
Рис. 2. Генератор СВЧ на 2-х магнетронах
221
Восстановление количества серы в исходном образце через
10 минут ультразвуковой обработки приводит к выводу о необходимости введения в рабочую зону катализатора, способного привести
систему к необратимой реакции, т.е. необходимо вводить в систему
металлы переходной валентности (молибден, ванадий, вольфрам)
(рис. 3).
В ходе эксперимента было установлено, что обессеривание
тяжелого котельного топлива (мазута М-100) на примере Ярославского НОС, Каспийского НПЗ, Уфимского НОС мазутов зависит от
химического состава серосодержащих углеводородов, содержащихся в них (рис. 3, 4, 5).
Концентрация S, %
Тобр, мин
Рис. 3. Изменение концентрации содержания Sобщ. после СВЧ+УЗ воздействия. Мазут М-100 (Каспийский НПЗ), график 1 СВЧ+Уз без Н2О,
исходное по Sобщ - 0,441; график 2 – СВЧ+Уз без Н2О, исходное
по Sобщ- 0,370
Концентрация S, %
Тобр, мин
Рис. 4. ЯНОС: мазут М100 - обработка УЗ+Н20 20% с Sобщ= 3,684;
УНОС: мазут М100 - обработка УЗ+Н20 20% с Sобщ= 2,713
222
Концентрация СО2,
Tобр, мин
Рис. 5. Выход СО2, ppm
Наблюдается выход большого количества газообразной
фазы СxHy проводились на газоанализаторе «Тesto-350-S/-XL Flue
Gas Analyser», разложение парафинов и только потом разрушение
ароматического кольца с выделением сероводорода. Соответственно
для глубокой очистки котельных топлив необходимо применять
другие, уже без водородные технологии.
Окислительная активность сернистых соединений уменьшалась
в следующей последовательности алкилароматическиетиофены, затем
метилтиофены и диметилтиофены, и диметилдибензтиофены. Данное
предположение сделано по известному химическому составу серосодержащих углеводородов в данных мазутах и количеству выхода легких углеводородов СxHy во время экспозиции (рис. 6)
Соответственно по полученным предварительным данным
можно сделать следующие выводы:
1. Котельные топлива, полученные из тяжелых высокосернистых
нефтей, содержащие значительное количество алкилзамещенных
диароматических серосодержащих углеводородов, необходимо
подвергать окисление в присутствии окислителя с твердым
межфазным катализатором.
2. Котельные топлива, полученные из легких нефтей с преобладающим содержанием в своем составе тиолов с высокомолекулярным алкилом и дисульфиды, необходимо окисление в присутствии окислителя с жидким межфазным катализатором под
давлением не более 5 атм для уменьшения выхода газовой фазы
и сокращения потерь.
3. Наиболее рациональное время экспозиции от 2 до 4 минут.
223
Концентрация CxHy, ppm
20000
вых Н2=157 ppm
вых Н2=157 ppm
18000
16000
вых Н2=136 ppm
14000
вых Н2=43 ppm
12000
224
1
10000
2
вых Н2=25 ppm
8000
6000
вых Н2=22 ppm
4000
2000
вых Н2=19 ppm
вых Н2=175 ppm
вых Н2=36 ppm
0
0
1
2
3
4
5
Tобр, мин
Рис. 6. Графики выхода газовой фазы: график 1 - перекись водорода Н2О2, температура газовой
фазы 82-85 С; график 2 - перекись водорода + Н2О, температура газовой фазы 75-81 С
224
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
Арешидзе Х.И., Гаджиев М.К. Каталитические превращения сероорганических соединений на алюмосиликатах. Тбилиси: Издательство
«Мицниереба», 1974, с.179.
Ляпина Н.К. Современное состояние проблемы исследования сероорганических соединений нефтей. // Успехи химии. T.LI. Вып. 2, 1982,
c. 332-355.
Производство гомогенизированных котельных топлив в сонохимическом реакторе / Ю.А. Кожевников, В.В. Сербин, В.Г. Чирков, Ю.М.
Щекочихин, С.М. Шебанов, М.Ю. Росс, Е.В. Сербина, В.С. Хромых,
В.П. Лапенков // Семинар «Малая и возобновляемая энергетика. Энергосберегающие технологии и методы передачи электроэнергии». Международная специализированная выставка «Энергетика будущего. Малая и нетрадиционная энергетика. Энергоэффективность.» 23-26 ноября 2010 года, ВВЦ, Москва.
Патент РФ №2392733. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТЕЙ ДВУХ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ НА МАГНЕТРОНАХ. / Артамонов
В.И., Алексеева Н.И., Вартанян В.А., Егоров Ю.М., Маевский В.А.,
Собченко Ю.А. // 20.06.2010.
Патент РФ на полезную модель № 2011124125/05 (035586) ГИБРИДНОЕ УСТРОЙСТВО ПОДГОТОВКИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ
ТОНКОДИСПЕРСНЫХ КОТЕЛЬНЫХ БИОТОПЛИВ / Кожевников
Ю.А. и др. // 15.06.2011 г.
225
УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ ВЕТРОУСТАНОВКИ
НА ОСНОВЕ ДВУХРОТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА
Канд. техн. наук Г.В. Степанчук, асп. К.С. Моренко
(Азово-Черноморская ГАА, г. Зерноград)
Возобновляемая энергетика в настоящее время переживает
второе рождение, во многих странах ей уделяют повышенное внимание.
К числу наиболее распространённых и перспективных способов получения электрической энергии относят энергию ветра. Несомненным преимуществом ветроэнергетики является повсеместная
распространённость данного вида энергии.
Ветроустановки вместе с тем обладают и рядом недостатков.
К одному из наиболее существенных недостатков следует отнести
значительное непостоянство поступления ветровой энергии за малые промежутки времени.
Кроме того, изменение скорости ветра приводит к изменению частоты вращения крыльчатого ветроколеса, что вызывает изменение частоты напряжения в генераторе, что является наиболее
существенным недостатком на настоящий момент, поскольку широко применяемые преобразователи частоты значительно удорожают
установку, снижают её надёжность и эффективность.
Способ получения на выходе генератора напряжения промышленной частоты значительно расширит область применения
ветроустановок и снизит их стоимость.
Наиболее остро проблема регулирования угла атаки стоит
для ветроустановок небольшой мощности, где применение сервоприводов нерационально, а использование других способов не позволяет получить высокий коэффициент использования энергии ветра.
Эта проблема может быть решена путём совмещения функции регулирования и выработки в одном узле — генераторе. Одной
из наиболее рациональных конструкций такого типа является конструкция, приведённая в [1].
Данная конструкция генератора позволяет при вращении лопастей регулировать их наклон к потоку для того, чтобы поддерживать частоту вращения ротора в заданных пределах.
226
Генератор содержит два аксиально расположенных ротора,
которые могут поворачиваться друг относительно друга. Выходные
валы роторов через конические шестерни связаны с лопастями ветроколеса, а шестерни помещены в корпус, вращающийся вместе с
ветроколесом.
Обмотка возбуждения находится на статоре и питается постоянным током через ключ регулирования.
Вращение ветроколеса приводит к вращению роторов в поле
статора, в результате чего в роторах наводится ЭДС, пропорциональная напряженности поля с частотой, определяемой скоростью
вращения и числом полюсов обмотки.
Регулирование угла атаки происходит благодаря повороту
одного из роторов относительно другого. Регулирование осуществляется путем изменения дополнительного сопротивления блоком
управления в цепи ротора.
При изменении частоты вращения ветроколеса блоком
управления изменяются величины сопротивлений, в результате чего
происходит восстановление заданного значения частоты.
По сравнению с другими конструкциями, данная обладает
рядом преимуществ [2]. Отсутствие внутри лопасти каких-либо
движущихся элементов позволяет выполнять её обтекаемой формы,
что существенно повышает коэффициент использования энергии
ветра по сравнению с ветроустановками с регулированием уменьшением поверхности крыльев.
Отсутствие сервопривода позволяет производить регулирование постоянно, что имеет особое значение для ветроустановок малой мощности, где регулирование занимает большую часть времени
работы установки.
Применение данного способа регулирования позволяет получать напряжение промышленной частоты при широком диапазоне
скоростей напрямую с генератора без необходимости его выпрямления и инвертирования, что существенно повышает КПД установки в
целом.
Рассмотренный способ регулирования позволяет осуществлять регулирование с помощью изменения электрических величин,
что на данном уровне развития силовой и микроэлектроники позволяет поддерживать частоту вращения вала с высокой точностью.
227
Важной частью рассматриваемой задачи является определение параметров и их значений, при которых работа системы будет
устойчивой.
Для обеспечения устойчивости системы при всяком отклонении от установившегося режима работы (когда аэродинамический
момент уравновешивается сопротивлением со стороны роторов)
должна появляться сила, возвращающая систему в положение равновесия.
Рассмотрим лопасть ветроколеса как основной воспринимающий и регулирующий орган системы.
Для ветроколёс с хорошо обтекаемыми профилями, существуют кривые зависимости отвлечённого момента вращения ветроколеса и поворота лопасти вокруг оси маха от угла установки лопасти
и быстроходности ветроколеса.
Ветви кривых отвлеченного момента [3] расположены как
выше горизонтальной оси угла установки, что соответствуют ветряным режимы, а ветвям, расположенным ниже этой оси — тормозные
режимы. На ветряных режимах аэродинамический момент положителен, т. е. направлен в сторону вращения колеса и ускоряет его. На
тормозных — отрицателен и замедляет движение.
Связь отвлечённых моментов вращения ветроколеса и поворота лопасти вокруг оси с соответствующими моментами, действующими на ветроколесо, выражается с помощью формул
;
,
где – плотность воздуха,
; R – радиус ветроколеса, м;
–
;
и
–
угловая скорость вращения ветроколеса,
отвлеченные аэродинамические моменты, вращающие ветроколесо и
– угол установки
поворачивающие лопасть соответственно;
лопасти ветроколеса, град.; Z – быстроходность ветроколеса.
Быстроходность связана со скоростью ветра соотношением
,
– скорость ветра,
.
Известно, что установившееся вращение ветроколеса и постоянная частота вращения вала генератора будет тогда, когда аэрогде
228
динамический момент, вызывающий вращение ветроколеса, будет
уравновешен моментом сопротивления со стороны генератора.
В случае если аэродинамический момент будет превосходить
момент сопротивления, будет наблюдаться разгон ветроколеса и
рост частоты вращения валов генератора, в противном случае —
торможение. Таким образом, установившееся вращение колеса отделяет разгон от торможения [3]. Это свойство работать, как ветряк
и воздушный тормоз, положено в основу принципов регулирования
частоты вращения ветроколеса с помощью двухроторного ветрогенератора.
Применение узла с коническими шестернями приводит к тому, что появляется связь между моментами на валах генератора и
вращающим и поворачивающим моментами.
Обращаясь к уравнениям связи моментов поворота лопасти
вокруг оси и вращения ветроколеса с моментами на роторах, обнаружим, что данные выражения являются суммами или разностями
для каждого из роторов.
;
,
где i — передаточный коэффициент для узла с коническими
шестернями; — количество лопастей.
Выразив из данных уравнений моменты сопротивления вращению ветроколеса и повороту лопасти, получим следующие уравнения
;
.
Примем
— момент сопротивления основного ротора, а
— момент сопротивления регулирующего ротора, получим, что
при увеличении момента сопротивления со стороны основного ротора (что соответствует росту нагрузки на генератор), будет расти
как момент сопротивления вращению ветроколеса, так и момент,
способствующий повороту лопасти во флюгерное положение.
Этот противодействующий момент будет поворачивать лопасть в рабочее положение, в котором она имеет более высокий ко-
229
эффициент использования энергии ветра и может принимать от ветра большую энергию.
В случае снижения нагрузки на основной ротор и снижения
момента сопротивления, момент, способствующий удержанию лопасти в рабочем положении, так же будет ослабевать, а лопасть под
действием ветра будет поворачиваться во флюгерное положение, где
она будет принимать меньшую энергию от ветра.
Регулирующий ротор будет обладать теми же характеристиками, что и основной, но с противоположными знаками, т. е. при
росте нагрузки (шунтировании обмотки) он будет выводить лопасть
во флюгерное положение, а при увеличении сопротивления — в рабочее.
Поскольку нагрузка основного ротора не является задаваемым параметром, а является случайной величиной, то для регулирования в данном случае возможно использование только регулирующего ротора.
В конечном итоге, требуется поддержание частоты вращения
вала основного ротора постоянной, соответствующей выходной частоте напряжения в 50 Гц.
Для обеспечения данного свойства применяется регулирующий ротор, шунтируемый с помощью транзисторных ключей. Блок
управления измеряет частоту выходного напряжения и корректирует
режим шунтирования для стабилизации частоты.
При росте частоты выходного напряжения блок уменьшает
величину сопротивления. Как результат — по обмотке протекает
больший ток, момент сопротивления увеличивается и уменьшает
момент сопротивления повороту лопасти. Лопасть поворачивается в
сторону флюгерного положения, что приводит к снижению использования энергии ветра и, как результат, снижению частоты вращения ветроколеса, снижению частоты вращения валов генератора и
снижению частоты выходного напряжения.
В случае снижения частоты выходного напряжения величина
шунтирующего сопротивления увеличивается, по обмоткам регулирующего ротора протекает меньший ток, момент сопротивления повороту снижается и лопасть поворачивается в сторону рабочего положения. В результате этого наблюдается рост частоты вращения
ветроколеса и частоты выходного напряжения.
230
Поскольку направления вращения роторов или ветроколеса
уже выбраны таким образом, чтобы снижать влияние изменения
скорости ветра или нагрузки на изменение частоты вращения, то
изменение величины шунтирования должно быть ограничено с учётом этих особенностей.
Рост скорости ветра приводит к тому, что при заданном угле
установки лопасти момент, стремящийся повернуть лопасть во флюгерное положение, будет расти. Поскольку моменты сопротивлений
генератора не изменяются, то лопасть будет поворачиваться во флюгерное положение, где коэффициент использования энергии ветра
будет снижен, с помощью чего будет снижаться разгон ветроколеса,
вызванный увеличением скорости ветра.
При снижении скорости ветра момент, поворачивающий лопасть во флюгерное положение будет снижаться. Это приведёт к тому, что лопасть будет поворачиваться в рабочее положение и принимать большую энергию от ветра, чем снизит влияние снижения
скорости ветра на снижение частоты вращения ветроколеса.
Таким образом, повышение устойчивости работы ветроустановки на базе двухроторного ветрогенератора заключается в правильном выборе направления вращения ветроколеса или присоединении роторов для обеспечения соответствующих направлений вращения; выборе ограничения скорости изменения величины шунтирования при изменении частоты выходного напряжения, что позволяет повысить качество электрической энергии.
Литература
1.
2.
3.
Патент РФ №2433301. Двухроторный ветрогенератор. / Моренко К.С. //
БИ. 2011. №31.
Степанчук Г.В., Моренко К.С. Двухроторный электрогенератор для
ветроустановки // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: Материалы VI Российской
научно-практической конференции – Ставрополь: Ставропольское издательство «Параграф», 2011. – 204 с.
Труды ЦАГИ №659 / П.А. Рыков, Н.Г. Ченцов, Х.С. Блейх. – Москва:
Бюро новой техники, 1948. – 30 с.
231
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ БИОТОПЛИВ
В СИСТЕМЕ ДОПУСКА ИХ К ПРОИЗВОДСТВУ
И ПРИМЕНЕНИЮ
Ю.Н. Сапьян, канд. техн. наук В.А. Колос,
М.А. Воробьев
(ГНУ ВИМ)
Анализ результатов исследований и имеющегося отечественного опыта применения биологических видов моторных топлив из биомассы растений для тракторных и комбайновых дизелей
показывает, что значения одних и тех же показателей одного и того
же вида биотоплива, определяемые различными исследователями,
очень часто значительно различаются.
Главными причинами противоречивости результатов исследований и неоднозначности полученных выводов являются [1]:
применение средств измерений и испытательного оборудования для определения того или иного показателя исходя из возможностей исследователя, а не требований нормативной документации (НД) на процедуру испытаний;
проведение испытаний по методам с неустановленными показателями прецизионности в соответствии с ГОСТ Р 8.580 и не прошедшим, в установленном Ростехрегулированием порядке, метрологическую аттестацию;
различия в уровне требований, задаваемых образцами, принятыми за эталон;
применение устаревших, не соответствующих нынешнему
законодательству в области метрологии (Федеральный закон «Об
обеспечении единства измерений», ст. 9), методов испытаний и приборного обеспечения;
несоблюдение требований к продолжительности стендовых и
тем более, эксплуатационных испытаний, а часто и игнорирование
проведением последних.
Кроме этого, изменение технико-экономических и экологических показателей дизелей, работающих на биотопливе, зависит от сырья, из которого изготовлено биотопливо, технологии его
232
получения и от его доли в смеси с дизельным топливом (при использовании смесевых топлив).
Сравнительный анализ физико-химических и эксплуатационных свойств рапсового масла по спецификациям DIN 51605 (Германия) и ГОСТ Р 53457-2009 (табл.) показывает, что такие показатели свойств как удельная теплота сгорания, плотность, кинематическая вязкость, содержание серы, йодное и цетановое числа, коксовый остаток, общее загрязнение, устойчивость к окислению, зольность, содержание Mg, Ca национальным стандартом не нормируются. Удельный вес не нормируемых показателей превышает 73 %.
Таблица 1. Показатели свойств рапсового масла, нормируемые
национальным и зарубежными стандартами
Показатель
свойств
RK – Qualitytsstandard ГОСТ 53457-2009
5/2000
нерафинированное
min max
min
max
DIN 51605
min
max
900,0
930,0
0
Плотность (15 С),
кг/м3
Температура
вспышки, 0С
Удельная теплота
сгорания, МДж/кг
Кинематическая
вязкость 40 0С, мм2/с
Коксуемость 10 %-го
остатка, % массы
Йодное число, г/100г
Содержание серы,
мг/кг
Цетановое число
Общее загрязнение,
мг/кг
Устойчивость к
окислению (1100С), ч
Кислотное число, мг
КОН/г
900,0 930,0
220
35
не нормируется
225
экстракционное
масло
не нормируется
38
≤ 0,40
100 120
20
25
5,0
220
36
36,0
не нормируется
не нормируется
не нормируется
95
не нормируется
не нормируется
39
10
24
не нормируется
не нормируется
2,0
6,0
233
0,40
125
6,0
2,0
Показатель
свойств
Содержание фосфора, мг/кг
Mg +Ca, мг/кг
Зольность, % массы
Содержание воды,
% массы
Продолжение табл. 1
RK – Qualitytsstandard ГОСТ 53457-2009
DIN 51605
5/2000
нерафинированное
min max
min
max
min
max
15
0,01
2,0
массовая доля
Фосфоросодержащих веществ в пересчете на стеароолеолецитин, %
не нормируется
не нормируется
0,075
0,30
12
20
0,01
0,075
Как следует из таблицы, несоответствие национального
стандарта зарубежному аналогу наблюдается и в требованиях,
предъявляемых к содержанию фосфора, воды и кислотному числу.
То есть, в ГОСТ Р 53457-2009 не нормируются и менее жестко нормируются показатели, наиболее влияющие на надежность и
эффективность работы дизеля и его систем.
В частности, кинематическая вязкость и плотность косвенно
характеризуют испаряемость топлив, эксплуатационное свойство,
влияющее на характеристики процессов топливоподачи и смесеобразования.
К свойствам топлив, непосредственно определяющим преобразование химической энергии в тепловую энергию, относятся воспламеняемость и горючесть. Горючесть характеризует особенности
и результат процесса горения топлива и оценивается такими показателями как плотность и удельная теплота сгорания.
Улучшение этих показателей и испаряемости, обеспечивает
повышение индикаторной N i и эффективной N e мощностей двигателя и снижение удельного эффективного расхода топлива gе.
Цетановое число и цетановый индекс – показатели воспламеняемости топлива, влияющие на характеристики рабочего процесса дизеля, легкость его запуска и приемистость до прогрева, расход
топлива и дымность отработавших газов.
234
Общее загрязнение, показатель, в различной степени влияющий на такие свойства топлива как прокачиваемость, смазывающая
способность, совместимость с материалами, экологическая безопасность. Этот показатель определяет эффективность и надежность работы двигателя, особенно топливной аппаратуры.
Склонность топлив к образованию отложений (смол, осадков, лака, нагара) в объеме топлива и на поверхностях деталей двигателя оценивается показателями химической и термоокислительной
стабильности, характеризующей соответственно окисляемость топлива при умеренных и высоких температурах.
Стабильность эксплуатационных свойств и хранимость биотоплив в значительной мере обеспечиваются повышением стойкости
к окислению за счет применения присадок и соблюдением условий
хранения, транспортирования и заправки. Основные показатели, характеризующие стабильность свойств биотоплив – устойчивость к
окислению, кислотное число. В частности, кислотность биодизельного топлива, смесей дизтоплива и рапсового масла в значительной
мере зависит от кислотного числа рапсового масла.
Совместимость с материалами – эксплуатационное свойство,
характеризующее химмотологические процессы взаимодействия
топлива с конструкционными материалами. Защитные свойства топлив характеризуют показателями коррозионной активности в условиях конденсации воды, в присутствии кислорода воздуха, электролита и других активных веществ.
Анализ исследований показывает, что в отличие от показателей
качества, нормируемых для нефтяных топлив, в большинстве биологических
видов моторного топлива необходим особый контроль следующих
характеристик:
содержания кислорода;
коррозионной активности, совместимости с конструкционными и
уплотнительными материалами, кислотности и склонности к окислению;
низкотемпературных свойств;
химической, физической стабильности, стойкости к расслаиванию, выпадению осадка, гигроскопичности.
В конечном итоге именно от количественно-качественных
характеристик эксплуатационных свойств биотоплив зависит, будет
ли обеспечена возможность выполнения техникой заданных функций в течение установленного ресурса.
235
Одним из главных условий получения наиболее представительной оценки качества, разрабатываемых биотоплив, исключения
субъективизма в принятии решений об их производстве и применении является воссоздание и модернизация системы допуска к производству и применению топлив, масел, смазок и специальных жидкостей. Создание системы независимой экспертизы качества модернизированных и вновь разработанных ГСМ в РФ должно осуществляться в рамках закона №184-Ф3 «О техническом регулировании» с
учетом опыта работы Государственной межведомственной комиссии по испытанию топлив, масел, смазок и специальных жидкостей.
Анализ имеющегося нормативно-правового, технического,
методического и метрологического обеспечения в сфере разработки,
испытаний, внедрения и применения ГСМ позволил определить основные проблемы, требующие первоочередного решения:
- отсутствие системного подхода к решению проблемы;
- физический и моральный износ испытательного, исследовательского и контрольно-диагностического оборудования, не
обеспечивающий минимизацию объема технологических процедур и
объективность регистрации результатов испытаний;
- несоответствие части методов квалификационной оценки
ГСМ не только современному уровню тракторного и автомобильного двигателестроения, но составу и свойствам современных ГСМ,
учитывая, что более 80% методов было разработано до 1990 г.;
- много методов квалификационной оценки ГСМ не прошедших метрологическую экспертизу в соответствие с требованиями ГОСТ Р 5725-2002, ГОСТ Р8.580-2001, ГОСТ Р ИСО 5725-3;
- практически полное отсутствие моторных методов оценки
ГСМ, в том числе и биотоплив, на полноразмерных двигателях по
международным стандартам (API, ACEA);
- отсутствие эффективных экспресс-методов контроля качества позволяющих с установленной точностью и за более короткое
время, чем стандартный метод, определить показатель качества горючего и принять решение о необходимости проверки его в лабораторных условиях с использованием стандартных методов;
- игнорирование общемировых тенденций, заключающихся в
существенном сокращении сроков пересмотра стандартов на методы
испытаний и тем более спецификаций на продукцию, включающих
новые показатели качества и уточненные методы испытаний;
236
- отсутствие льгот по оплате НДС и ввозных таможенных
пошлин на импортируемое высокотехнологическое исследовательское и испытательное оборудование.
Учитывая изложенное, модернизация системы должна базироваться на системном, скоординированном подходе к решению задач производства, испытаний и контроля качества ГСМ, в том числе
и биотоплив, а также тесном взаимодействии предприятийизготовителей ГСМ с ведущими производителями и основными эксплуатантами техники, научно-исследовательскими и испытательными организациями, работающими по указанной проблематике.
Кроме этого, система должна решать задачи по созданию
эффективных систем аттестации и сертификации ГСМ, разработке
учебно-методических программ и подготовке квалифицированных
специалистов испытательных лабораторий.
Структура, функциональные и финансовые возможности модернизируемой системы должны обеспечить не только оформление
рекомендательных документов на производство и применение ГСМ
прошедших приемочные испытания, но и разработку комплексов
современных методов испытаний, их стандартизацию, совершенствование классификаций и спецификаций ГСМ.
На основании анализа методов, входящих в комплексы методов квалификационной оценки (КМКО) ГСМ, сформулированы основные требования к КМКО ГСМ, в том числе и биологических видов
моторных топлив для тракторных и комбайновых дизелей (рис. 1).
Большое значение в системе приемочных испытаний вновь
разрабатываемых образцов биологических видов моторных топлив
имеют эксплуатационные испытания. Они позволяют не только
окончательно сформировать обязательные требования к продукции
данного вида и назначения, но и выработать конкретные практические рекомендации по эксплуатации техники, а также комплекс
технических и организационных мер, реализация которых обеспечит
хранение, транспортирование, заправку биотоплив с минимальными
потерями и изменениями их важнейших свойств.
Эксплуатационные испытания проводятся с целью определения:
- целесообразности включения биотоплив, прошедших лабораторно-стендовые испытания, в химмотологические карты, конструкторскую и эксплуатационную документацию;
237
Воспроизведение всего диапазона условий применения ГСМ в
реальных объектах
Способность методов оценивать
эффективность и экологическую безопасность применения испытуемых
ГСМ в перспективных образцах
техники
Гарантированное получение результатов испытаний, адекватно
описывающих явления, наблюдаемые в реальных условиях
Возможность определения качественно-количественных характеристик
влияния состава ГСМ, условий проведения испытаний и др. факторов на
исследуемые параметры химмотологических процессов
Повышение технического уровня
средств измерений (испытательного
оборудования) за счет применения
микропроцессорных измерительных
устройств и новых методов исследования физических процессов
Организация подготовки квалифицированного персонала испытательных
лабораторий
Сокращение сроков и затрат при
внедрении вновь разрабатываемых
образцов ГСМ
Повышение уровня метрологического обеспечения методов испытаний, обеспечивающего оперативность, требуемые точность, достоверность, сходимость и воспроизводимость измерений
Повышение качества, снижение
экологической опасности при производстве ГСМ и эксплуатации
техники
Адаптация методов к постоянно
ужесточающимся требованиям к
качеству ГСМ, к введению и нормированию новых показателей качества
Формирование (уточнение) обязательных требований к продукции
данного назначения.
Рис. 1. Основные требования, предъявляемые к методам
квалификационной оценки ГСМ, в том числе и биотоплив
- особенностей эксплуатации техники, работающей на биотопливах, и допустимых сроков и условий их хранения на нефтескладах сельхозтоваропроизводителей в различных климатических
районах;
238
- динамики изменения физико-химических показателей моторного масла, периодичности ТО, в частности, установления сроков смены масла и периодичности обслуживания агрегатов и узлов
очистки (фильтрации) масла;
- периодичности ТО агрегатов и узлов системы питания;
- эксплуатационных расходов биотоплива и моторного масла;
- стабильности соответствия мощностно-экономических показателей дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах
его работы требованиям технических условий (ТУ);
- надежности работы дизеля и его систем за период испытаний.
- взаимозаменяемости, стабильности и совместимости марок
биотоплив;
- влияния биотоплив на конструкционные и уплотняющие
материалы из резинотехнических и полимерных материалов.
При условии формирования единого унифицированного
подхода к процедуре эксплуатационных испытаний биотоплив возможно повышение качества исследований и сопоставимости их результатов, проведение сравнительного анализа характеристик продукции и создание систем обеспечения ее качества.
При положительных результатах испытаний, изготовителю должно выдаваться техническое заключение по производству
и применению биотоплива.
Выводы
В интересах потребителей необходимо воссоздание системы
независимой экспертизы качества модернизированных и вновь разработанных ГСМ.
Моральный и физический износ испытательного оборудования не обеспечивает минимизацию объема технологических процедур и объективность получаемых результатов испытаний.
Учитывая несоответствие значительной части КМКО современному уровню конструктивных и термодинамических параметров
техники, недостаточные жесткость и длительность испытаний, необходима разработка принципиально новых методов, адекватно моделирующих реальные процессы в двигателях и агрегатах.
239
Требует расширения применение моторных методов испытаний ГСМ на полноразмерных двигателях по международным стандартам (API, ACEA).
В сложившихся условиях особое значение приобретают эксплуатационные испытания ГСМ и особенно биотоплив, как наиболее полно учитывающие динамическую нагруженность конструкций, неустановившиеся режимы работы тракторных агрегатов, постоянное манипулирование органами управления трактора, неблагоприятные условия функционирования техники (повышенную запыленность и загрязненность, неровности рельефа, атмосферные воздействия и осадки и т.д.).
Для формирования единого унифицированного подхода к
процедуре эксплуатационных испытаний опытных биотоплив и
принятия объективного решения об их допуске к производству и
применению необходима разработка комплекса нормативнометодической документации.
Литература
1. Сапьян Ю.Н., Воробьев М.А., Колос В.А. Система допуска к производству и применению биологических видов моторных топлив // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2010, № 3, с. 22-28.
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ДОПУСКА
К ПРОИЗВОДСТВУ И ПРИМЕНЕНИЮ БИОТОПЛИВ
Ю.Н. Сапьян, канд. техн. наук В.А. Колос, Е.Н. Кабакова
(ГНУ ВИМ)
Для оценки целесообразности разработки и эффективности
вовлечения в топливно-энергетический баланс (ТЭБ) агропромышленного комплекса (АПК) ВИЭ, в частности, биологических видов
моторного топлива рекомендуется использовать 4 группы наиболее
информативных показателей [1].
Важная роль в принятии решений о производстве и применении биологических видов моторных топлив принадлежит показателям третьей группы, характеризующим безопасность и потребительские свойства биологических видов моторных топлив.
240
К показателям этой группы относятся физико-химические
показатели и эксплуатационные свойства биотоплив, регламентируемые законодательными нормами (техническими регламентами) и
техническими требованиями (техническими условиями, спецификациями) для каждого вида биотоплива и уровня его качества.
Перечень контролируемых показателей качества и применяемых методов их определения зависит от этапа полного жизненного цикла (ПЖЦ) биотоплива.
В общем случае, в зависимости от этапа ПЖЦ оценку качества биотоплива проводят с целью:
– определения целесообразности их допуска к производству
и применению;
– установления соответствия свойств каждой партии вырабатываемого на предприятие-изготовителе биотоплива, требованиям
нормативных документов (НД) на данную продукцию;
– подтверждения соответствия продукции в системе сертификации;
– инспекционного контроля сертифицированной продукции;
– предъявления претензий к снабжающим организациям за
поставку биотоплив, не соответствующих требованиям НД на их
изготовление;
– установления фактического качества при возникновении
сомнений в качестве получаемых или полученных биотоплив;
– диагностической оценки технического состояния агрегатов
и узлов эксплуатируемой сельскохозяйственной техники.
Достижение первой цели, т.е. определение целесообразности
допуска к производству и применению биотоплив, является гарантией того, что топливо, качество которого не подтверждено результатами испытаний и документальной экспертизы не попадет потенциальному потребителю.
Учитывая, что результат оценки одного и того же свойства
биотоплива зависит от принятых условий проведения опыта, вида
применяемой аппаратуры и используемых в ней методов исследования физических величин, уровня требований, задаваемых образцами, принятыми за эталон, особое значение приобретает выработка
унифицированного, скоординированного подхода к системе приемочных испытаний.
241
Особая роль в решении этой проблемы принадлежит организации структуры системы независимой экспертизы и ее функциональным возможностям, методам оценки и контроля качества, техническому уровню средств измерения, метрологическому и информационному обеспечению системы испытаний ГСМ (рис.1).
Оперативность выработки и принятия решений о допуске, их
достоверность, сокращение сроков пересмотра спецификаций на
продукцию, включающих новые показатели качества и уточненные
методы испытаний, обеспечение рационального и энергоэффективного применения топлива, масел, смазок и специальных жидкостей в
технике во многом определяется надежностью, оперативностью и
полнотой информационного обеспечения.
Выполнение условия связано с решением следующих задач:
- разработкой и ведением интегрированных нормативносправочных баз данных (БД), экспертных систем (ЭС) междисциплинарного характера;
- наиболее полном учете законов и закономерностей функционирования химмотологической системы, представляющей комплекс элементов «техника – ГСМ - эксплуатация», их взаимосвязей
и свойств;
- созданием математического обеспечения, заключающегося
в разработке взаимосвязанных модулей математических моделей
отдельных элементов системы и обобщенной модели в целом;
- организацией и поддержкой стабильной технологии информационного, вычислительного обмена и вычислительного процесса в сети пользователей автоматизированной информационносправочной системы (АИСС);
- разработкой специальных пакетов прикладных программ и
упорядочением применения стандартного программного обеспечения;
- разработкой организационно-правового обеспечения информационных технологий.
Интегрированная нормативно-справочная база данных «Топливно-энергетические ресурсы» разрабатывается в среде СУБД Visual FoxPro 7. Схема данных, задающая структуру БД, определяющая
связи между таблицами и являющаяся графическим образом БД,
представлена на рис. 2.
242
Оперативность, требуемые
точность, достоверность,
сходимость и воспроизводимость измерений
Метрологическое
обеспечение
Надежность,
оперативность,
полнота
Информационное
обеспечение
Актуальность, оптимальность требований, целесооб
разность, комплексность,
согласованность, функциональность
Нормативно-правовое
обеспечение
Испытательное
Законы
Средства измерений
Технические
регламенты
Средства контроля.
Стандартные образцы
состава и свойств
Метрологические
Методики выполнения
измерений (МВИ)
Производители
Характеристики объектов применения
ГСМ и условий их
работы
СИСТЕМА ДОПУСКА ГСМ
К ПРОИЗВОДСТВУ
И ПРИМЕНЕНИЮ
Стандарты
Спецификации
Технические требования (ТТ), технические
условия (ТУ)
Производители ГСМ
Научно-исследовательские организации
Испытательные
Основные
Рис. 1. Базовые элементы структуры системы допуска
к производству и применению ГСМ
В соответствии со схемой, структура БД включает следующие основные разделы информационного наполнения БД: нефтепродукты, каменный уголь, электроэнергия и альтернативные виды
топлива.
Эти разделы включены в головное меню БД. Каждое из основных пунктов головного меню имеет в своем составе ниспадаю-
243
Виды смазочных материалов
Технические требования (технические условия,
спецификации) к физико-химическим и эксплуатационным свойствам биотоплив
Виды нефтяных топлив
Нормативная (техническая) документация, регламентирующая методы определения физикохимических показателей и эксплуатационных свойств биотоплив
Виды нефтепродуктов
Виды
Виды альтернативных топлив
Виды биотоп-
региональные (EN)
национальные (ГОСТ Р,
ASTM, IP, BS, JIS, DIN
и т.д.)
организации (СТО)
Стандарты
Виды испытаний
Виды твердых биотоплив
Виды жидких биотоплив
Виды газообразных
международные (ISO)
НД, регламентирующая
производство жидких
моторных биотоплив
Виды моторных биотоплив
Рис. 2. Схема данных, задающая структуру
интегрированной нормативно-справочной базы данных
«Топливно-энергетические ресурсы»
щие подменю, содержащие дополнительные вложенные подменю в
соответствии с иерархией кратко изложенной ниже.
Раздел меню «Нефтепродукты» содержит два подменю:
«Нефтяные топлива» и «Смазочные материалы». Раздел меню «Альтернативные топлива» содержит три подменю: «Газомоторное топливо», «Водородное топливо» и «Биотопливо».
В состав подменю «Биотопливо» включены следующие виды
биотоплив: жидкие, газообразные и твердые (рис. 3).
После достижения самого нижнего уровня, каждого из разделов меню, пользователю представляется информация о наименовании нормативного документа (международного, регионального,
национального стандарта, стандарта организации) и содержании
технических требований, регламентирующих требования к показателям качества биотоплив и методам их оценки.
244
Биотоплива
Жидкие
Твердые
Древесное топливо
Моторное биотопливо
Топливо из растительных отходов
Бензанол
Газообразные
Биоэтанол
Биогаз
Биометанол
Биодиметилэфир
Биометил-3-бутилэфир
Биоэтил-3-бутилэфир
Биодизельное топливо
Смесевое топливо
Дизельное смесевое
топливо
Газ сточных вод
Газ мусорных отходов
Газ биомасс
Синтетические газы
Пиролизный
Древесный
Коксовый
Синтетическое биотопливо
Биоводород сжиженный
Рис. 3. Фрагмент схемы перечня биотоплив,
включенных в состав формируемой БД
В пункте меню БД “Кодификаторы” пользователю предоставляется возможность осуществлять ввод дополнительной информации в существующие справочники - кодификаторы, добавлять
новые виды топлив, методы их испытаний и требования к их качеству или химическому составу.
На рис. 4 приведен слепок экранной формы с перечнем подвидов топлива подменю «Моторные биотоплива жидкие» и раскрытым примечанием к биометанолу.
Формируемая интегрированная нормативно-справочная база
данных «ТЭР» позволит упорядочить и систематизировать имеющуюся техническую, нормативно-правовую и иную информацию о
разрабатываемых, испытываемых и внедряемых образцах ГСМ, в
том числе и биотоплив.
245
Рис. 4. Слепок формы экрана с раскрытым примечанием
для биометанола
БД будет использована для создания автоматизированной
информационно-справочной системы (АИСС), обеспечивающей накопление, обработку, анализ, обмен информацией в системе допуска
к производству и применению ГСМ и для разработки программного
обеспечения, обеспечивающего автоматизацию расчетов по оценке
энергетической эффективности применения растительной биомассы
для производства биотоплив.
Литература
1.
Сапьян Ю.Н., Колос В.А., Сулейманов М.И. Проблемы применения биологических видов моторных топлив в сельском хозяйстве // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной
научн.-техн. конф. (18-19 мая 2010 г., г. Москва, ГНУ ВИЭСХ). В 5-ти частях. Часть 2. Энергосберегающие технологии в растениеводстве и мобильной энергетике. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010, с. 287-294.
246
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
ТЕРМОСКВАЖИН ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Канд. техн. наук С.Н. Трушевский
(ГНУ ВИЭСХ)
В настоящее время проявляется повышенный интерес к использованию тепловых насосов (ТН) для теплоснабжения, пестрит
предложениями Интернет, гарантируется 3-х кратная и более экономия энергии. Считается, что применение ТН не влечёт за собой неблагоприятных экологических последствий. Автору статьи не известны публикации, опровергающие эти положения, кроме [1 - 4].
Отрицательные последствия есть.
Рассмотрим на частном примере систему теплоснабжения
тепловыми насосами одноэтажного, одноквартирного дома в Московской области с отапливаемой площадью F = 100 м2, в котором
проживает 5 чел. В качестве низкотемпературных источников теплоты (НТИТ) для ТН проанализируем изменения в течение 40 лет
параметров 2-х природных источников: грунтовых вод и собственно
грунта (термоскважин).
Грунтовые воды
Наиболее простым кажется использование теплоты природных водных ресурсов, в частности, грунтовых вод. В соответствии с
нормативами, годовая тепловая нагрузка рассматриваемого дома,
включающая отопление и горячее водоснабжение, составляет
Qгод= 28 МВт·ч. Если 75% этой нагрузки осуществить за счёт НТИТ,
то QНТИТ =21 МВт·ч и требуемый объём перекачиваемой воды (температура на входе в испаритель tвх =8°С, на выходе tвых =1°С) ≈2 600
м3/год, что приведёт к недостаче дебита или деградации источника. О влиянии охлаждённой воды на вышележащий слой грунта
см. ниже.
Грунт в качестве НТИТ
Грунт поверхностных (глубиной до 400 м) слоёв земли
рассматривается, например, в [5, 6], как НТИТ для тепловых насосов. В связи с тем, что с каждым годом площадь земли над охлаждённым массивом грунта будет увеличиваться и, соответственно,
нейтральный слой будет охлаждаться, возникает вопрос о масшта-
247
бах этого процесса и его влиянии на окружающую среду и растениеводство.
Ограничимся анализом процессов теплопереноса из грунта в
теплообменник термоскважины. На рис. 1 изображена расчётная
схема термоскважины, где d0 - диаметр внешней трубы теплообменника, d1 - диаметр слоя грунта после первого месяца охлаждения,
d2 - после второго и т.д., di - после i месяцев (лет) эксплуатации.
Расчёты производились в предположении квазистационарного режима в течение каждого месяца. Масса каждого слоя грунта
m=Q/cp (tг – tх),
(1)
где Q – месячная тепловая нагрузка [7], cp – удельная теплоёмкость
грунта, tг и tх – средние температуры слоя на границах с неохлаждённым и охлаждённым слоями грунта. Тепловой поток от охлаждаемого слоя к теплообменнику
q=
t г − t0
,
R
(2)
где t0 – средняя температура на внешней оболочке теплообменника;
R – термическое сопротивление от неохлаждённого слоя до теплообменника
R=
1
2πλh
248
ln
di
,
d0
(3)
Рис. 2. Изменение мощ ности термоскважин в 1-й год
эксплуатации в зависимости от глубины
Глубина скважин, м
10
9
Мощность, кВт
8
7
250
6
225
5
200
175
4
3
2
150
1
Требуем ая м ощность
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
100
50
9
10
11
12
13
14
Месяцы года
где h - высота термоскважины. В качестве грунта рассматривалась
гомогенная глина с термическими коэффициентами: cp=0,838
кДж/(кг °С), γ=2000 кг/м3, λ = 0,928 Вт/(м К) [8]. Масса охлаждаемого за год грунта составляет ≈13 000 тонн.
Зависимость получаемой теплообменником мощности из
грунта от глубины скважины показана на рис. 2. Полное покрытие
тепловой нагрузки происходит при глубине скважины h≈225 м. На
рис. 3 показано уменьшение мощности скважины глубиной 225 м в
течение 40 лет эксплуатации. На рис. 4 показано увеличение диаметра охлаждённого грунта за время эксплуатации до 37 м, а это,
как показано ниже, равносильно отчуждению земли.
249
Релаксация температуры охлаждённого грунта
Как долго будет сказываться влияние охлаждённого грунта
на окружающую среду? Задача о релаксации температуры охлаждённого грунта сводится к нестационарной задаче прогрева неограниченного сплошного цилиндра [9, 10]. Дифференциальное уравнение теплопроводности, описывающее процесс:
∂T (r ,τ )
∂ 2T (r ,τ ) 1 ∂T (r ,τ )
= a(
+
∂τ
∂r 2
r ∂r
) , (τ f 0;0 p r p R) ,
(4)
дополняется краевыми условиями, в частности (6) - (8), и имеет решение в виде ряда. При Fo =
aτ
≥ 0.3 ряд быстро сходится, поэтоR2
му с погрешностью, не превышающей 1%, достаточно ограничиться
первым членом, и тогда решение относительной температуры на оси
цилиндра примет вид:
θц =(1- θ ) = 1 −
T (r ,τ ) − Tc
2
aτ
=
exp(− μ12 2 ) ,
μ1 J 1 ( μ1 )
T0 − Tc
R
Краевые условия для конкретной задачи:
T ( r , 0 )= 1°C,
(6)
T ( R , τ )= T c= 11.5 °C,
(7)
∂T (0,τ )
= 0, T (0, τ ) ≠ ∞ .
∂r
250
(8)
Обозначения: R , r - радиусы внешний цилиндра и координатный; τ - время; а - коэффициент температуропроводности;
J 1 ( μ1 ) - функция Бесселя.
Температура T c=11,5 °C определена как средняя по высоте
цилиндра 225 м с учётом геотермического градиента 3°С/(100 м) и
температуры нейтрального пласта земли +8 °C. Значения T ( r , 0 ) =
1°C, как и T 0 = 1 °C, приняты в предположении, что по окончании
работы скважины после 40 лет температура грунта и заполненного
теплоносителем теплообменника будут одинаковыми.
В соответствии с расчётами время релаксации (от 1 до 11,5 °С)
приблизительно равно времени охлаждения. Таким образом, общее
время отрицательного воздействия охлаждённого грунта на окружающую среду практически увеличится вдвое (до ≈80 лет).
Влияние охлаждённого грунта на нейтральный и корнеобитаемый слои
При проектировании теплонасосных установок следует
учесть охлаждение нейтрального и корнеобитаемого слоёв земли
над охлаждённым массивом грунта, равно как и над охлаждёнными грунтовыми водами. В связи с тем, что при постановке задачи
имеется много факторов, связанных с климатическими и теплообменными особенностями, корректное решение задачи на всё разнообразие краевых условий требует большого объёма вычислительных
работ. Мы покажем на упрощённом примере, что охлаждение нейтрального слоя происходит достаточно быстро, и это оказывает негативное воздействие на окружающую среду.
Рассмотрим неограниченную пластину толщиной 2R, когда
поверхности её поддерживаются при температуре Tc=const на протяжении всего процесса охлаждения (начало координат находится
на одной из поверхностей пластины). Математическая постановка
задачи [9, 10]:
∂T ( x,τ )
∂ 2 T ( x, τ )
=a
, ( τ f 0; 0<x<R)
∂τ
∂x 2
и её решение при краевых условиях:
T(x, 0)= f(x)= T0,
T(0, τ )=Tc = 0 °С,
T(2R, τ )= Tc ,
и ограничении первым членом ряда, будет:
251
(9)
(10)
(11)
(12)
T ( x, τ ) 2 x
aτ
=
exp(−π 2 2 ) .
π R
T0
R
(13)
Принимая толщину нейтрального слоя 2R=10 м и его температуру T0 =10 °С, варьируя в (13) время τ , получим распределение
температуры в слое грунта, в частности, через 90 и 365 дней (рис. 5),
т.е. уже через год нейтральный слой полностью охладится и станет
непригодным как для растениеводства, так и для обитателей дома,
лишив их температурного комфорта в тёплое время года.
Выводы
Для покрытия тепловой нагрузки одноквартирного дома с
применением тепловых насосов требуется охлаждать несоизмеримо
большую массу природных источников низкотемпературной теплоты: грунтовой воды 2 600 м3/год или грунта 13 000 т/год. Глубина
скважины 225 м, что ставит под сомнение экономическую целесообразность такого теплоснабжения.
Охлаждение нейтрального слоя земли над охлаждённым
грунтом термоскважины, равно как и над охлаждёнными грунтовыми водами, происходит достаточно быстро по сравнению с временем эксплуатации теплонасосной установки, что приводит к отчуждению земли для растениеводства, нарушает экологическое равновесие. Кроме того, по окончании эксплуатации термоскважины в
252
земле останутся ржавые трубы с «начинкой». Нужно также учесть
интересы сопредельных пользователей земли, так как площадь охлаждённого за 40 лет грунта 1100 м2 выходит, например, за пределы «шести соток».
Литература
1.
Трушевский С.Н. Последствия использования теплоты грунтовых вод и
грунта тепловыми насосами // Техника в сельском хозяйстве, 2011, №5,
с. 28-29.
2. Трушевский С.Н. О влиянии термоскважин для тепловых насосов на
экологическую обстановку // Международный агропромышленный
конгресс «Модернизация АПК – механизмы взаимодействия государства, бизнеса и науки» (22-28 августа 2011г.). – СПб: Ленэкспо, 2011,
с. 42-43.
3. Трушевский С.Н. О влиянии термоскважин для тепловых насосов на
окружающую среду // «Вiдновлювана енергетика ХХ1 столiття».
Матерiали Х11 Мiжнародноi науково-практичноi конференцii. АР
Крим, смт Миколаiвка, 12-16 вересня 2011 року. Крим-2011, с. 380-386.
4. Трушевский С.Н. Использование тепловых насосов для теплоснабжения различных объектов // Техника в сельском хозяйстве, 2012, № 1,
с. 30-31;
5. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев
земли. М.: «Граница», 2006.
6. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых
источников энергии. Москомархитектура. ГУП "НИАЦ", М., 2001.
7. Горбачёв В.С., Малюгин А.В. Использование нетрадиционных источников энергии для теплоснабжения сельского дома // Гелиотехника.
1987. №3.
8. Ачеркан Н.С. Справочник машиностроителя. Том 2. М.: «Машгиз»,
1956, с. 117.
9. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: «Высшая школа», 1967,
с. 83, 87, 146.
10. Григорьев В.А., Зорин В.М. Тепло- и массообмен. Теплотехнический
эксперимент. М.: «Энергоиздат», 1982, с. 141 и 139.
253
ОЧИСТКА БИОГАЗА МЕСТНЫМ МАТЕРИАЛОМ
К.Г. Фаталиев, Г.И. Кулиева, И.А. Алыев,
Р.М. Расулов
(Азербайджанский НИИ «Агромеханика», г. Гянджа)
Целью работы является очистка биогаза местным природным
материалом. Это позволит повысить эффективность биогаза и очистить его от вредных примесей без больших затрат.
Состав биогаза, получаемого из экскрементов крупного рогатого скота входят [1] метан СН4 - 35-70%, углекислый газ СО2 –
27-44%, сероводород Н2S ≤ 3%, водород Н2 ≤ 1%, а также азот
N2 ≈ 1%. Работы д.с.-х.н. Н.П. Ледина и его сотрудников значительно уточнили эти сведения, установив, что в состав биогаза дополнительно, хоть и в небольших количествах, входят еще этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н12, кислород О2 и гелий Не. Кроме
всего этого в биогазе всегда имеются еще и водяные пары.
Ряд этих составляющих биогаза являются или ядовитыми и
опасными при эксплуатации, или же снижают эффективность биогаза при сгорании.
Объемная теплота сгорания биогаза определяется в основном
содержанием метана CH4, а наличие водорода Н2 и сероводорода
H2S прктически не влияют на этот показатель.
Но углекислый газ и водяные пары существенно снижают
теплоту сгорания биогаза.
Сероводород, имеющийся в составе биогаза, тяжелее воздуха
и поэтому может скапливаться в углублениях и привести к смертельному отравлению людей. Этот газ, реагируя с водой, может вызвать коррозию стальных резервуаров биогазового устройства.
Углекислый газ СО2 , входящий в состав биогаза, также тяжелее воздуха и может скапливаться в глубоких выемках, отравлять
людей, вызывая удушье.
Кроме этого данный газ существенно снижает теплоту сгорания, уменьшая эффективность использования биогаза.
Таким образом, в целях защиты от вредных воздействий биогаза и повышения его эффективности необходимо из него удалять
сероводород H2S, углекислый газ СО2 и водяные пары H2О.
254
Для удаления сероводорода из биогаза существует много
промышленных методов [1], таких как адсорбционный, применение
окиси мышьяка - опасного ядовитого вещества, адсорбирования с
образованием взрывоопасного сероуглерода и очень дорогого метода Клауса восстановлением свободной серы. Поэтому наиболее доступен каталитический сухой метод с использованием Fe(OH3), который реагируя с H2S, удерживает серу в виде Fe2S3 , а в последующем
на воздухе снова регенерируется.
В связи с ядовитостью и уменьшением эффективности биогаза при горении необходимо также удалять из него углекислый газ.
Это производится адсорбционным способом и только для крупных
установок является выгодным, так как требует большие затраты.
Влагу из биогаза также необходимо удалять, потому что она
в процессе горения значительно снижает теплоту сгорания.
Для малых биогазовых установок применение промышленных методов удаления из биогаза этих примесей являются нерентабельными, поэтому мы решили использовать для этих целей природный цеолит.
Природный цеолит является биологически активным и экологически безопасным минералом, обладающим высокой поглощаемостью и ионообменном. Природный цеолит представляет собой
алюмосиликаты, содержащие в своем составе окиси щелочных и
щелочно-земельных металлов. Они имеют регулярную структуру,
благодаря чему обладают высокой селективностью. Принцип разделяющий способности цеолитов несколько отличается от всех других
адсорбентов: молекулы адсорбтива, как бы «просеиваются» сквозь
ажурную структуру цеолита, в связи с этим цеолиты характеризуются не удельной поверхностью пор, а объемным заполнением пор адсорбатом, которая составляет 0,2-0,25 см3/Г. Эта особенность позволяет их использовать не в молотом, а в дробленом виде.
В нашей республике в нескольких регионах имеются богатые
природные залежи цеолита. В западной зоне залежи в горе Айдаг.
Основные составляющие этого цеолита 60-80 % SiO2, 11-12 %
Al2O3, 2,0-6,0 % CaO, 2,0-4,0 % K2O, 0,8-3,5 % Fe2O3, 0,5-4,0%
Na2O, 0,4-4,0 % MgО, 0,1-0,3 % TiO2 , степень растворяемости 2,12,3 Г/л, рН 7,6-7,7, удельный вес 2,0-2,2 Г/см3, объемная масса 0,80,9 Г/см3, а пористость составляет 55-60 %.
255
В целях использования местного цеолита для очистки биогаза создан многоступенчатый адсорбер непрерывного действия, где в
процессе очистки биогаз будет просачиваться сквозь дробленый
слой цеолита, не только в вертикальном направлении, но и одновременно на каждой ступени будет проходить в продольном направлении, что существенно активизирует адсорбционный процесс.
Выполненная работа приводит к следующим результатам:
1. Очистка биогаза в малых биогазовых установках промышленными методами не выгодна;
2. Использование местного цеолита для очистки биогаза не
требует больших затрат;
3. Очистка биогаза цеолитом позволяет существенно повысить его эффективность и устранить вредные примеси.
Литература
1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз. Теория и практика. М., 1986.
ЕМКОСТНОЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР
ИЗ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Д-р техн. наук Л.И. Жмакин, канд. техн. наук И.В. Козырев,
А.А. Крюков, М.В. Назарова
(МГТУ им. А.Н. Косыгина, г. Москва)
Для умеренного солнечного нагрева воды перспективны емкостные коллекторы, одновременно являющиеся и аккумуляторами
теплоты. Их энергетическая эффективность несколько ниже, чем у
коллекторов проточного типа, но они выигрывают благодаря своей
конструктивной простоте, надежности и меньшей стоимости. Емкостные коллекторы находят применение в первую очередь, у сезонных потребителей горячей воды в санаторно-курортном, гостиничном и частном жилищном секторах. На кафедре «Промышленная
теплоэнергетика» текстильного университета разработаны опытные
образцы эластичных емкостных коллекторов из водостойких технических тканей с полимерными покрытиями и исследованы их теплотехнические характеристики.
256
Коллекторы представляют собой герметичные оболочки,
сваренные термическим способом из водонепроницаемой тентовой
ткани черного цвета с двухсторонним ПВХ покрытием. Для их изготовления использована ткань марки «Unisol – 630», выпускаемая
южнокорейской фирмой «Hanwha». Эта ткань имела толщину
0,53±0,02 мм и поверхностную плотность 630±0,4% г/м2; а её основой служили полиэстеровые нити 1100 дтекс. По данным изготовителя такая ткань работоспособна в диапазоне температур от –30оС
до +70оС и выдерживает давление воды до 3 бар. Нами были определены некоторые теплофизические свойства ткани «Unisol – 630».
Коэффициент теплопроводности был измерен стационарным методом плоского слоя [1]; при температурах +30…50оС его величина
изменялась в пределах 0,20…0,23 Вт/м гр. Степень черноты ткани,
найденная с помощью инфракрасного пирометра ТРТ 64Р фирмы
«Agema infrared systems», составила 0,89…0,92.
Конструктивно текстильные солнечные коллекторы представляли собой плоские емкости прямоугольной формы с размерами
1320х640х80 мм и габаритной площадью 0,84 м2. Герметичность
обеспечивалась сваркой текстильных полотен внахлест горячим
воздухом. После сварки емкости опрессовывались водой под избыточным давлением 30 кПа, рабочее давление воды во время экспериментов обычно не превышало 20 кПа. Опытные образцы коллекторов имели штуцеры для подачи воды и удаления воздуха, а также
специальный зонд, на котором во внутренней полости были смонтированы 4 термопарных датчика, измерявшие распределение температур в жидкости по высоте.
Особенность эластичных коллекторов емкостного типа состоит в том, что они всегда устанавливаются горизонтально на
опорной поверхности и прогреваются солнечным излучением сверху, т.к. иначе возможна существенная деформация их формы. Однако в этом случае в жидкости наблюдается состояние гидростатического равновесия, в ней не развивается свободная конвекция, а перенос теплоты может осуществляться только теплопроводностью,
что значительно ухудшает динамику прогрева. Для решения данной
проблемы нами был предложен метод интенсификации нестационарного нагрева воды за счет ее перемешивания и струйного натекания на обогреваемую поверхность коллектора. С этой целью во
внутренней полости коллектора был установлен погружной микро-
257
насос с электроприводом постоянного тока, работающим от солнечной фотобатареи. Батарея имела 24 круглых фотоэлемента из монокристаллического кремния диаметром 100±1 мм и толщиной 0,5 мм,
соединенных последовательно. Размеры батареи 640х425 мм, напряжение холостого хода около 12 В.
Рис. 1. Схема циркуляции воды в коллекторе
На рис. 1 приведена схема циркуляции жидкости в емкостном коллекторе и конфигурация распределительной сети. Характеристики микронасоса – напор, мощность двигателя и КПД в зависимости от подачи были получены экспериментально на лабораторном
стенде. В опытах фотобатарея развивала напряжение под нагрузкой
9,4…9,7 В, мощность электродвигателя насоса составляла 2,1…3,1
Вт, а его обороты были близки к номинальным. Напорная характеристика сети определена расчетным путем с помощью приближенного полуэмпирического метода [2], основанного на уравнениях
энергии для разделяющихся потоков. Вычисления напоров и объемных расходов воды на участках сети проводились методом итераций. Получены следующие значения параметров рабочей точки циркуляционной системы: V=202,8 л/час и Н=0,164 м.
Экспериментальные исследования теплообмена в емкостных
коллекторах проводились в натурных условиях в мае-июле 2011 г.
при ясной безоблачной погоде в период с 900 до 1400. В опытах фиксировались зависимости от времени суммарной солнечной радиации, поступающей на поглощающую поверхность коллектора, а
258
также температур воды в разных точках по высоте ее слоя и температур на поверхностях ткани. Автоматизированная система записи и
обработки измеряемых величин была выполнена на основе промышленных контроллеров ТРМ 101 и ТРМ 10 фирмы «Овен», которые имели несколько аналоговых измерительных входов, для подключения хромель-копелевых термопар и пиранометра. Связь контроллеров с персональным компьютером осуществлялась через порт
RS - 485. Система сбора опытных данных была оснащена программой, позволяющей с заданной периодичностью регистрировать и
архивировать измеренные величины. По экспериментальным данным рассчитывались количества теплоты, поступившей к жидкости
в разные моменты времени, и КПД емкостного солнечного коллектора з.
Для описания полученных результатов использовалось уравнение Уиллера-Хоттеля-Блисса [3]
η = F ′η o − F ′U L
t cp − t 0
= A − Bt ∗ ,
E
(1)
где F’ и зо – эффективность эластичной поглощающей панели и ее
оптический КПД, UL – полный коэффициент потерь тепла, Е – плотность потока солнечной радиации, tср и t0 – средняя температура
жидкости и температура наружного воздуха, t ∗ = t cp − t 0 E – при-
(
)
веденная температура. Экспериментальная зависимость КПД от
приведенной температуры показана на рис. 2.
Рис. 2. КПД емкостного коллектора
259
Уравнение (1) устанавливает линейную связь между КПД
емкостного коллектора и приведенной температурой при условии,
что коэффициент тепловых потерь является постоянным. Комплексы A = F ′η o и B = F ′U L являются основными теплотехническими
параметрами этого коллектора; их значения, полученные при обработке опытных данных методом наименьших квадратов, оказались
равными 0,719 и 16,43, соответственно.
На стенде были также проведены эксперименты по измерению коэффициента тепловых потерь емкостного коллектора. По существу, он представляет собой эффективный коэффициент теплопередачи между нагретой водой и окружающим воздухом, отнесенный
к активной поверхности теплообменника, поглощающей солнечное
излучение. Для его измерения использовался метод регулярного режима охлаждения [4]. Текстильная емкость, заполненная водой, сначала нагревалась за счет энергии Солнца; затем перемещалась в лабораторное помещение, где остывала в течение длительного времени при отключенной системе циркуляции. В опытах автоматически
регистрировались температуры воды в различных зонах коллектора,
по их зависимости от времени рассчитывался темп охлаждения жидкости и находился коэффициент потерь тепла
M жс p
d (ln θ )
.
(2)
, где m =
UL = m
F
dτ
В уравнениях (2) Мж и ср – масса и теплоемкость воды в емкостном коллекторе, θ = t − t 0 – ее избыточная температура, ф –
время, m – темп охлаждения, F – активная поверхность коллектора.
Всего было проведено 5 экспериментов по охлаждению емкостного коллектора с водой, в которых коэффициент потерь теплоты изменялся в диапазоне 17,4…20,4 Вт/м2гр. Его среднее значение
равно 18,8 Вт/м2гр, максимальное отклонение от среднего 8,5%, а
среднеквадратичное – 3,4%.
С помощью полученных нами опытных данных была рассчитана эффективность текстильной поглощающей панели, присутствующая в уравнении (1); ее величина составила F’ = 0,87. Этот параметр обычно интерпретируется как отношение двух коэффициентов
теплопередачи: «нагреваемая жидкость – наружный воздух» и «стенка панели – наружный воздух» [3]. С использованием такого подхода
были сделаны косвенные оценки коэффициентов теплоотдачи для
260
воды, омывающей обогреваемую текстильную поверхность коллектора. В условиях натурных экспериментов при включенной циркуляционной системе они изменялись в пределах 120…150 Вт/м2гр.
Таким образом, экспериментальные исследования показали,
что описанный выше текстильный солнечный коллектор емкостного
типа, не имеющий корпуса, обладает удовлетворительными теплотехническими характеристиками. Он позволяет за первую половину
дня получить около 70 литров воды подогретой до 40-45оС при
среднем КПД за этот период 0,36…0,40.
Литература
1.
2.
3.
4.
Жмакин Л.И., Козырев И.В., Кирокосян К.А., Черных М.В. Экспериментальное исследование теплопроводности тканей, используемых для
рабочей одежды // Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 2009, №2, с. 16-18.
Меерович И.Г., Мучник Г.Ф. Гидродинамика коллекторных систем.
М.: Наука, 1986. - 144 с.
Duffle J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes, 2 Ed.,
J.Wiley & Sons, USA, 1991. - 919 p.
Теория тепломассообмена // Под ред. Леонтьева А.И. - М.: Изд.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 683 с.
О РАЗРАБОТКЕ РОССИЙСКИХ СТАНДАРТОВ
ПО БИОЭНЕРГЕТИКЕ
Канд. биол. наук Т.И. Андреенко,
канд. физ.-мат. наук Н.А.Рустамов,
д-р физ.-мат. наук А.А.Соловьев
(Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова)
Биоэнергетика – новая отрасль народного хозяйства РФ, основанная на использовании возобновлемых источников энергии органического происхождения – биомассы для производства тепла,
электричества и моторного топлива. Технологии современной биоэнергетики в зависимости от способа конверсии энергии биомассы
подразделяются на термохимические и биотехнологические. Термохимические технологии – это технологии, при которых, проводят
сжигание, газификацию, пиролиз или быстрый пиролиз биомассы с
261
выделением тепловой энергии и получением сингаза, водорода и
жидких нефтеподобных углеводородов. Биотехнологическими называют такие преобразования биомассы, при которых используются
процессы жизнедеятельности биологических агентов. В биоэнергетике это производство биоэтанола, биоводорода и биогаза для
транспорта и получения тепловой и электрической энергии.
Перспективы развития биоэнергетики в России стимулируются наличием масштабной сырьевой базы. Прежде всего, это требующие утилизации отходы сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства, органические отходы городов. Валовое
годовое энергосодержание этих отходов по данным 2005 года составляла 467,56 млн. т условного топлива [1]. Для сравнения – суммарное годовое производство различного вида топлив и энергии в
России составляет 1385 млн. т у.т. [2].
Опыт зарубежных стран показывает, что биоэнергетика востребована в основном агропромышленным комплексом и успешно
решает его энергетические проблемы [2]. Для России это имеет особое значение, так как энерговооруженность сельского хозяйства
страны не отвечает ее потребностям и примерно 30 – 35 % крестьянских и фермерских хозяйств не имеют стабильного централизованного энергоснабжения [3]. Анализ результатов внедрения биогазовых технологий в народное хозяйство России показывает, что это
приведет не только к повышению эффективности сельскохозяйственного производства, но и к расширению и стабилизации внутреннего рынка страны в целом [3]. В России разработаны высокорентабельные промышленные технологии, создано надёжное оборудование по переработки биомассы в биотопливо и энергию [2]. В настоящее время на российском биогазовом рынке работают ряд компаний, которые создают когенерационные биогазовые комплексы
различной мощности, способные выдерживать сложные климатические условия различных регионов страны. Но внедрение биогазовых
технологий происходит медленно, сталкиваясь с определенными
трудностями [4].
Для упорядочения и ускорения развития биогазовой промышленности в масштабах страны необходима разработка основополагающих государственных нормативных документов по техническому регулированию и стандартизации, обеспечивающих госу-
262
дарственное регулирование развития отрасли, интегрирующей передовой научно-технический и производственный опыт [5, 6].
Работы по разработке государственных стандартов для возобновляемых источников энергии в России были начаты в 1993-94
годах, когда по инициативе Минтопэнерго была принята программа
создания системы стандартов в этой сфере [7]. Программа не была
выполнена полностью, но к 2003 году в России были приняты 8
стандартов по нетрадиционной энергетике [7]. Это были первичные
основополагающие стандарты по гидроэнергетике, ветроэнергетике
и солнечной энергетике. После принятия этих стандартов работы по
стандартизации в области ВИЭ были приостановлены [5].
В 2006 году Федеральное Агентство по техническому регулированию и метрологии включило в государственный план стандартизации разработку проекта стандарта ГОСТ Р «Нетрадиционные
технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения» первого Государственного стандарта по биоэнергетике. Проект
стандарта был разработан сотрудниками научно-исследовательской
лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ) географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова и как ГОСТ
Р 52808-2007 был утвержден Федеральным Агентством по техническому регулированию и метрологии. Стандарт вступил в силу на
территории Российской Федерации с 1 января 2009 года.
В этом стандарте установлены термины и определения, относящиеся к биотехнологическим методам преобразования энергии
биомассы. Он состоит из трех частей. Первая часть – общие понятия, используемые во многих областях знаний, выходящие за рамки
стандартизируемой системы терминов по энергетике биоотходов, но
необходимые для её представления. В этой части даны определения
понятиям биомасса, отходы, первичная и вторичная биомасса, биоконверсия, биокатализаторы, биоотходы, энергетика биоотходов,
ферменты, ферментация биоотходов, иммобилизация, биотопливо,
брожение биоотходов, гидролиз биоотходов, биоценоз. Вторая, наиболее содержательная, часть – термины, относящиеся к процессу
метанового брожения – получению биогаза, раскрывающая природу,
технологический процесс и технические средства получения биогаза. Последняя часть определений – понятия по биологическим видам
моторного топлива.
263
Разработчиками стандарта учтен европейский опыт по терминологии в области получения и использования биологического
топлива. Так, часть установленных в стандарте терминов заимствована из Распоряжения Европейского парламента и Совета Европейского союза «О мерах по стимулированию использования биологического топлива в транспортном секторе» от 8 мая 2003 года №30.
До этого стандарта в России не было ни одного нормативноправового документа по биотопливу и биогазовым технологиям.
В продолжение упомянутой работы НИЛ ВИЭ совместно со
специалистами Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский центр стандартизации, информации и сертификации сырья, материалов и веществ» разработала ГОСТ Р 53790-2010 «Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Общие технические требования к биогазовым установкам». Стандарт утвержден Федеральным Агентством по техническому регулированию и метрологии и вступил в силу
01.01.2011 года.
Целью стандарта является установление общих требований к
биогазовым установкам различной мощности и назначения в соответствие с новейшими разработками российских ученых.
Основным требованием, которое предъявляется стандартом к
биогазовым установкам, является требование назначения – «Биогазовые установки должны обеспечивать переработку органических
отходов (стоков животноводческих производств, растениеводства,
перерабатывающей промышленности) и осадков сточных вод в биогаз с возможным преобразованием его в тепловую и электрическую
энергию, а также транспортное топливо. Наряду с биогазом эти установки должны производить высокоэффективное дорогостоящее
органическое удобрение, содержащее гуминовые вещества».
Переработка отходов в метантенке биогазовой установки
осуществляется в результате процесса жизнедеятельности симбиоза
ряда штаммов бактерий, поэтому условия их жизнедеятельности определяют результат работы установки – количество образованного
метана, скорость переработки отходов, качество удобрения. Вследствие этого в стандарте большое внимание уделяется условиям оптимальной работы биогазовой установки. Прежде всего, это соблюдение анаэробных условий в метантенке, поддержание оптималь-
264
ных для данной установки температурного режима и кислотнощелочного баланса.
Стабильную работу биогазовой установки поддерживают
устройства, перемешивающие и нагревающие сбраживаемую
массу, типы которых и требования к ним изложены в стандарте.
В соответствии с требованиями стандарта в технических условиях и эксплуатационных документах на биогазовую установку
конкретного типа должны приводиться требования к перерабатываемым отходам, характеристики режима работы метантенка,
ряд показателей процесса метанового брожения.
Стандарт предъявляет ряд требований к конструкция биогазовой установки: метантенку, системе сбора биогаза, к трубопроводной системе биогаза, к газгольдерам.
Требования стандарта направлены на обеспечение всех аспектов промышленной безопасности работы биогазовых комплексов: технологического, пожарного, экологического.
Биогаз в смеси с воздухом в пропорции от 5% до 15% при
наличии источника воспламенения с температурой 600°C или более
может привести к взрыву. Открытый огонь опасен при концентрациях биогаза в воздухе более 12%. Поэтому биогазовые установки
представляют собой потенциально опасные производственные объекты.
Стандарт включает требования к биогазовым установкам
различной мощности (от 100 кВт до десятков мегаватт), располагающихся под открытым небом или в специальных помещениях.
Вследствие этого документ не обеспечивает детализированные требования технического характера и безопасной эксплуатации биогазовых установок. Стандарт содержит ряд требований безопасности,
относящихся к установкам большой мощности, расположенных в
специальных помещениях. Такие установки перерабатывают осадки
сточных вод, отходы больших животноводческих комплексов, отходы производств перерабатывающей промышленности. Безопасная и
безаварийная работа установок должна обеспечиваться, прежде всего, соблюдением «Правил безопасности в газовом хозяйстве» и
«Правил безопасности систем газораспределения и газопотребления». Согласно стандарту, работа биогазовых установок должна
быть организована так, чтобы выполнялись требования охраны
окружающей среды и здоровья персонала.
265
До введения в действие ГОСТ Р 53790-2010 «Нетрадиционные технологии. Энергетика биооотходов. Общие технические требования к биогазовым установкам» в нашей стране не было стандартов по биогазовым технологиям. Стандарт будет полезен при разработке, проектировании и эксплуатации биогазовых установок, он
послужит основой и откроет серию специализированных, детализированных стандартов как по малым биогазовым установкам индивидуального пользования, так и большим, перерабатывающим отходы
крупных производств.
В настоящее время в лаборатории Возобновляемых источников энергии МГУ завершается разработка проекта Национального
стандарта «Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения». В этом
стандарте в разделе «Понятия, относящиеся к использованию энергии биомассы», будут приведены термины и определения, связанные
как с биоконверсией энергии биомассы (биогазовые технологии,
производство биотоплива), так и с термохимическим способам её
переработки (сжигание, пиролиз, быстрый пиролиз, газификация).
Национальные стандарты России, регламентирующие терминологию и технические аспекты биоэнергетических установок,
послужат ускорителями процесса распространения современных
биотехнологий и внедрения передового опыта и будут способствовать развитию нетрадиционной энергетики страны и улучшению
условий жизни её населения.
Литература
1.
2.
3.
4.
Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России
и местным видам топлива (показатели по территориям) / Под редакцией Безруких П.П. - М., 2007. - 270 с.
Панцхава Е.С., Беренгартен М.Г., Вайнштейн С.И. Биогазовые технологии. (Проблемы экологии, энергетики, сельскохозяйственного производства). М.: Федеральное агенство по образованию, Московский государственный университет инженерной экологии, ЗАО Центр «Экорос», 2008. - 217 с.
Панцхава Е.С. Отечественная биоэнергетика как элемент развития
внутреннего рынка России. Энергия: экономика, техника, экология.
2009. №7, с. 10-19.
Чернин С. Почему в России не развивается биогазовая промышленность? // Международная биоэнергетика. №2 (19), май 2011, с. 26-28.
266
5.
6.
7.
Рустамов Н.А., Андреенко Т.И., Чекарев К.В. Стандартизация и нетрадиционная энергетика // Энергия: экономика, техника, экология. №12,
2006, с. 34-39.
Соловьев А.А., Рустамов Н.А., Андреенко Т.И. О стандартизации в
сфере использования возобновляемых источников энергии // Компетентность. № 4-5 (75-76), 2010. С. 28-29.
Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия,
ресурсы, технологии. М., 2005. – 264 с.
OFF-GRID PHOTOVOLTAIC SYSTEM CONSTRUCTED
AT THE CZECH UNIVERSITY OF LIFE SCIENCES
M. Libra (Czech University of Life Sciences Prague,
Prague, Czech Republic)
V. Poulek (Poulek Solar, Ltd., Prague, Czech Republic)
INTRODUCTION
The off-grid photovoltaic (PV) systems are usually constructed
for energy supply in locations where the network is missing. The
combustion engines need fuels supply all the time. In this case, the offgrid PV system and energy saving into the battery is more simple.
Systems are suitable for energy supplying of various equipments or
science instruments in the field. We constructed and tested various ongrid and off-grid PV systems in the past and our results were published
regularly for example in the journal Solar Energy Materials and Solar
Cells [1] or in the journal Fine mechanics and optics (Jemná mechanika a
optika) [2, 3]. Recently, we realized the application with the off-grid PV
system for illumination. The energy saving light source with light
emitting diodes was used. In this paper we will describe the construction
and the first results of the testing.
LIGHT SOURCES
Incandescent lamps formerly used were discharging the batteries
too fast. The filament inside the bulb emits the light according to
Planck‘s law about radiation of the dark body. The efficiency of the energy conversion is only approx. η ≈ 3%. More saving discharge light
sources have efficiency approx. η = 18%. The most saving sources LED
(Light Emitting Diodes). LEDs producing yellow light have efficiency up
to η ≈ 40%. LEDs producing white light have efficiency approx.
267
η ≈ 30%. Also we used the light source based on the LEDs with white
light.
Fig. 1. Approximate measurement
of the emission spectrum
Fig. 2. The off-grid PV
system in Shanghai
Fig. 3. Outdoor part of the off-grid PV system
268
Fig. 1 shows our measurement of the emission spectrum. The
photometer has a long step and that is the reason that individual spectral
lines on the figure are merging. But the spectrum is not continuous.
Strong emission in blue part of the spectrum can be seen, as well as area
of the transformed fotons in the luminophore. Because the efficiency of
the energy conversion is approximately ten times higher in comparison
with the incandescent lamp, the off-grid PV systems with such energy
saving light source is discharging the battery approximately ten times
more slowly. Moreover light sources with LED have the lifetime more
than 50000 hours, fluorescent lamps have the lifetime approx. 5000÷8000
hours and the classic incandescent lamps have the lifetime about 1000
hours. The price of the LED light sources is few higher, but the massive
production will decrease the price.
Fig. 4. Scheme of the off-grid PV system
269
We did see few various off-grid PV systems. Fig. 2 shows a offgrid PV system in Shanghai, where PV panel is used for energy supplying of the traffic lights with LED.
EXPERIMENTAL ARRANGEMENT
We constructed the off-grid PV system designated for illumination on the Czech University of Life Sciences. Fig. 3 shows the outdoor
part. The batteries were located in the laboratory as well as the recharging
unit and programmable unit (PLC). The data were collected and the visual supervision is possible cross the web interface. Fig. 4 shows scheme
of the PV system. Fig. 5 shows a detail of the lamp with 30 LED during
illumination. The power of each diode was 1 W, the total power was also
30 W during illumination. The recharging unit L2415 was used for the
battery charging. This unit is controlling the recharging and it is also securing a overvoltage and undervoltage protection. The PV panel based on
the monocrystaline silicon with maximum output power P = 170 Wp was
used for the recharging of lead gel batteries EnerSys (12 V, 105 Ah). Two
batteries were connected in series and the no load voltage was approx.
Ue = 28 V if fully charged. Also the maximum amount of accumulated
energy can be approx. Wmax = 2,5 kWh.
Fig. 5 Detail of the light source based on LEDs
270
The construction of the PV system was finished in summer of
2011 and the operation and the data collection started since August 2011.
RESULTS AND DISCUSSION
Fig. 6 shows the time behaviour of the battery voltage during few
summer days. It is clearly seen that batteries were recharged during the
day and discharged during the night. The illumination mode started at
21:00 and finished next day at 6:30. The daily illumination time was almost 10 hours. The voltage leap at the switching on and switching off is
seen on the fig.6. A voltage oscillations during recharging are caused by a
difference between measuring during the recharging pulse or otherwise
[5]. Smaller oscillations during the discharging are due to measurement
accuracy.
The calculation according our previous measurements [4] show
that during the whole year a PV panel is capable of supplying energy of
more than Wd > 150 kWh. If the light source would be switched on for 10
hours per day, the energy of Ws ≈ 110 kWh would be needed for a whole
year, the efficiency of the battery is approximately 70%. According to the
theory, the PV system could be self-sufficient and it was self-sufficient
during the summer period till autumn. But during the winter period the
time of sunlight is shorter and the angle of the solar radiation is lower [4].
No additional energy can be stored, if the batteries are fully charged. In
this case the recharging unit is recharging the battery with the same current, which compensates the self–discharging [5]. Ageing, energy losses
and decrease of the batteries capacity must to be also taken into the consideration.
Fig. 6. Time behaviour of the battery voltage during few summer days
271
Fig. 7. Time behaviour of the battery voltage during few autumn days
Fig. 7 shows the situation in the middle autumn. On
3rd November the undervoltage protection switched off the light source
before 6:30 in the morning. Then were three cloudy days and on 6th and
7th November 2011 the battery was few recharged, but the light source
did not to shine the whole night (see fig. 7). Since this time we modified
the illumination mode (shorter time of operation, lower illumination intensity).
CONCLUSION
We have constructed the above mentioned off-grid PV system for
illumination. The testing was started in August 2011. The PV system was
selfsufficient till the 3rd November 2011. Also since the November we
modified the illumination mode.
The work was supported by the university internal grant Faculty
of Engineering IGA 31120/1312/3101.
REFERENCES
1.
2.
3.
Poulek V., Libra M. A New Low Cost Tracking Ridge Concentrator, Solar
Energy Materials and Solar Cells, 2000, 61, 2, pp.199-202.
Mareš J., Libra M. Zařazení fotovoltaických systémů do struktury automatizace. Jemná mechanika a optika, 2009, 54, 2, str.47-49 (in Czech).
Mareš J., Libra M. Konstrukce a testování solárního regulátoru v ostrovním
fotovoltaickém systému. Jemná mechanika a optika, 2008, 53, 2, str.60-62
(in Czech).
272
4.
5.
Libra M., Sedláček P., Mareš J., Poulek V. Porovnání PV systémů s pevným
a proměnným sklonem PV panelů. Jemná mechanika a optika, 2010, 55, 10,
str.270-271 (in Czech).
Mareš J., Libra M. Dobíjení akumulátorů elektrické energie v ostrovních
fotovoltaických solárních systémech. Jemná mechanika a optika, 2006, 51,
10, str.274-276 (in Czech).
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
КАРБОНИЗАЦИИ БИОМАССЫ МЕТОДОM ТОРРЕФАКЦИИ
(TORREFACTION)
Канд. техн. наук П. Евич, проф. З. Шедива
(Научно-исследовательский институт сельскохозяйственной техники (ВУЗТ), г. Прага, Чешская Республика);
д-р сель.-хоз. наук В.О. Дубровин
(Национальный университет биоресурсов и природопользования (НУБиП), г. Киев, Украина)
Введение
Карбонизация или торрефакция (torrefaction) - это процесс
термической обработки биомассы в среде без доступа кислорода при
температуре 240 - 320 ºС и продолжительности выдержки (экспозиции) в реакторе в пределах от 0,33 до 210 минут, основным результатом которого является получение биоугля.
Биоуголь в сравнении с исходной биомассой обладает повышенными плотностью энергии, высшей и низшей теплотой сгорания, другими улучшенными термохимическими характеристиками.
Технологии и оборудование для торрефакции являются основой получения твердых биотоплив 2-го поколения, позволяющих
более эффективно использовать биомассу. Поэтому данные технологии активно развиваются в странах Европы, Америки и Азии на
базе различных типов реакторов, условий работы и производительностей оборудования. Потенциальный рынок включает широкий
спектр потребителей от энергетических компаний (электростанций)
до химических предприятий с целью получения сырья для производства синтетических топлив и других веществ. Также предпола-
273
гаются возможности одновременного использования ресурсоемких
систем логистики, созданных для традиционного угля.
Обзор современной ситуации
Как правило, реактор для торрефакции обеспечивает выполнение 2-х задач:
- подогрева биомассы до требуемой температуры торрефакции,
включая процессы удаления избыточной влаги из исходного сырья;
- поддержание температуры торрефакации во время выдержки
(экспозиции) биомассы в реакторе.
Применяемые реакторы можем условно разделить на две
группы по системам подогрева сырья.
Во-первых, это системы непрямого подогрева, в которых
биомасса находится в непрямом соприкосновении (через теплопроводящую стенку) с теплоносителем (маслом, паром или дымовыми
газами). Такие системы подогрева применяют в винтовых и лопастных реакторах, ротационных печах, а также в сушильном оборудовании (сушилках паровых трубчатых и использующих перегретый
пар). Этот принцип подогрева сырья характерен большей части технологий торрефакции и медленного пиролиза.
Во-вторых, это системы прямого подогрева, в которых биомасса напрямую контактирует с носителем тепла, находящимся в
газообразном состоянии. Эти системы характерны для реакторов,
использующих перегретый пар, большей части конвекционных сушилок (ротационных, барабанных, с кипящим слоем и жалюзевых).
Они применяются также в оборудовании для газификации
(с подвижными колосниками, кипящим слоем), хотя при этом часть
биомассы теряется в связи с ее окислением.
Торрефакция не является изолированным процессом. Она
требует подготовки биомассы, включая операции измельчения, гомогенизации, предварительной сушки, а также охлаждения после ее
выполнения. Технология торрефакции требует обеспечения незначительной разницы гранулометрических характеристик исходного
сырья. Основным требованием при предварительной сушке биомассы является обеспечение конечной влажности на уровне от 5% до
15%. Превышение влажности для реакторов непрямого подогрева
понижает их производительность, а влага, которая превращается при
274
торрефакции в пар, понижает показатель низшей теплоты сгорания
биоугля.
Качество биомассы после процесса торрефакции
Для получения биоугля в результате торрефакции, определяющими процесс характеристиками являются:
температура торрефакции;
время выдержки (экспозиции);
передача тепла.
В случае использования систем с непрямым подогревом,
важным фактором является время контакта сырья с теплопередающей поверхностью; а при прямом подогреве газообразным теплоносителем - учет вихревого движения и его распределения в объеме
реактора. Благоприятствование, неудобства и характеристики систем торрефакции с непрямым подогревом, поршневой и винтовой
подачей биомассы оцениваются в ВУЗТ-Прага экспериментальным
оборудованием, показанным на рис. 1.
После осуществления процесса торрефакции необходимо
охладить биоуголь до температуры ниже 50 ºС в среде без наличия
кислорода или с пониженным его содержанием - для исключения
самовозгорания готового продукта при контакте с атмосферным воздухом.
Биоуголь, полученный в процессе торрефакции, в реакторе с
кипящим слоем, содержит частицы, близкие по размеру к исходному
материалу. Применение реакторов других типов приводит к дроблению и измельчению частиц биоугля при их движении и перемешивании. Это обуславливает увеличение количества мелких частиц и
обломков, что позитивно сказывается при необходимости получения
порошка. Однако гомогенизация такого продукта требует дополнительного измельчения полученного биоугля в двухцилиндровой или
молотковой дробилке. Гомогенизированный порошок может быть
реализован заказчикам непосредственно как порошок или
в гранулированном виде.
Гранулы из древесных опилок и пшеничной соломы, а также
биоуголь из этих видов биомассы показаны на рис. 2.
275
Рис. 1. Внешний вид экспериментального реактора ВУЗТ-Прага
с температурой до 700 оС и производительностей 20 кг/ч исходного сырья
Рис. 2. Гранулы из древесных
опилок и пшеничной соломы
до и после торрефакции
Степень торрефакции определяется формулой
С = (1-
Vт
) 100,
Vв
% m/m
где Vm – летучее горючее вещество в сухом веществе биоугля; VB –
летучее горючее вещество в сухом веществе биомассы.
На основании данных, приведенных в табл. 1, степень торрефакции при t = 280 - 300 оС для древесных опилок составляет 55 %
m/m и пшеничной соломы 74 % m/m.
При такой степени торрефакции древесных опилок потеря
массы составляет у древесных опилок 45%, а у пшеничной соломы
52%. При этом энергетическое содержание биоугля на единицу массы в сравнении с биомассой существенно возрастает.
Предполагается, что торрефакционные газы будут применены для покрытия собственных энергетических потребностей установки торрефакции.
276
Таблица 1. Основные показатели сухого вещества древесных опилок
и пшеничной соломы до и после торрефакции при температуре
280 - 300 oC
Показатели
Летучее
горючее
Нелетучее
горючее
Зольность
Низшая теплота
сгорания
Степень
торрефакции
Древесные опилки
без коры
Единицы
гранулы
измерения
гранулы после торрефакции
Пшеничная солома
гранулы
гранулы
после торрефакции
% m/m
83,96
37,71
74,33
19,18
% m/m
15,70
61,14
18,39
63,20
% m/m
0,44
1,15
7,28
17,62
MJ.kg-1
18,88
29,29
17,02
26,19
% m/m
55,03
74,19
Параметрами, которые необходимо в будущем исследовать в
системах торрефакции, являются характеристики определяющие
водостойкость биоугля и свойства при его измельчении. При этом
методы оценки этих параметров в настоящее время еще не нормированы.
Выводы
Биоуголь, полученный в процессе торрефакции, может занять важное место на мировом рынке энергетических продуктов.
Одновременно гранулы из биоугля, обладающие более высокой
концентрацией энергии, по сути, являются, с одной стороны, твердым биогенным топливом следующего поколения, а с другой стороны, сырьем для новых синтетических материалов или моторных топлив.
Литература
1.
Гост 7657-84. Уголь древесный, технические условия. М.: ИПК Издательство Стандартов, 1984.
277
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
BERGMAN, P.C.A., BOERSMA, A.R., ZWART, R.W.R., KIEL, J.H.A.
(2005) ECN-report ECN-C-05-013 Torrefaction for biomass co-firing in existing coal-fired power stations „BIOCOAL“.
Forest Energy monitor Sept. 2009.
BERGMAN, P.C.A., (2005) ECN-report ECN-C-05-073 Combined torrefaction and pelletization. The TOP process.
BERGMAN, P.C.A., PELLS, J.R. (2006) Project Nr. 0268-04-04-40-007.
Оral information Thermya.
ACB-Process description, intermediate safety report.
ENGLISH M., WILD M. (2009) Pellets mit höherem Energieinhalt durch
selektive Karbоnisierung des Rohmaterials, FFG project report 819023.
278
Содержание
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ
ЭНЕРГИИ……………………………………………………………………….
Акад. Россельхозакадемии Д.С. Стребков, канд. техн. наук
Е.Д. Сорокодум (ГНУ ВИЭСХ)
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ
ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ…………………………………………………….
Канд. геогр. наук Л.К. Малик (Институт географии РАН, г.Москва)
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ВОД
ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ТЕПЛИЦ ТУРКМЕНИСТАНА…………….….
Д-р сель.-хоз. наук А.М. Пенджиев, Д.А. Пенжиева (Туркменский
политехнический институт, г. Ашхабад)
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ
БАЗЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В МОСКОВСКИХ
И ЛИТОВСКИХ ВУЗАХ……………………………………………………….
Канд. техн. наук И.И. Тюхов (МГУИЭ, ГНУ ВИЭСХ, г. Москва),
канд. техн. наук В.Б. Адомавичюс (КТУ, г. Каунас, Литва)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ……………………………………………………...
Д-р техн. наук С.К. Шерьязов, Н.А. Чернов (ЧГАА, г. Челябинск)
ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
КАЗАХСТАНА…………………………………………………………………
Т.Н. Байспаев (ЮКГУ им М. Ауезова, г. Шымкент, Казахстан)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
МОБИЛЬНОЙ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
В ПАСТБИЩНЫХ ХОЗЯЙСТВАХ ТУРКМЕНИСТАНА…………………..
Д-р сель.-хоз. наук А.М. Пенджиев, Н.Г. Астанов, М.А. Пенджиев
(Туркменский политехнический институт, г. Ашхабад)
О РЕСУРСНЫХ ОГРАНИЧЕНИЯХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИЙ И ПЕРСПЕКТИВАХ ИХ ПРЕОДОЛЕНИЯ..........................
Канд. техн. наук И.И. Тюхов (МГУИЭ, ГНУ ВИЭСХ, г. Москва)
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КВАНТОВОГО ВЫХОДА ВНУТРЕННЕГО
ФОТОЭФФЕКТА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ..................................................
Канд. физ.-мат. наук Ю.Д. Арбузов, д-р физ.-мат. наук В.М. Евдокимов,
канд. техн. наук О.В. Шеповалова (ГНУ ВИЭСХ)
279
3
11
16
27
33
36
40
47
55
КАСКАДНЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ
ТУННЕЛЬНЫХ СТРУКТУР ГОМОГЕННОГО ПОЛУПРОВОДНИКА.......
Канд. физ.-мат. наук Ю.Д. Арбузов, д-р физ.-мат. наук В.М. Евдокимов,
канд. техн. наук О.В. Шеповалова (ГНУ ВИЭСХ)
СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МЕЗОСТРУКТУРЫ С ЛИНЕЙНЫМ ОКНОМ ЗАСВЕТКИ.................
Канд. физ.-мат. наук Ю.Д. Арбузов, д-р физ.-мат. наук В.М. Евдокимов
(ГНУ ВИЭСХ, НТЦ ВИЭН)
ИЗОТИПНЫЕ КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ……………………………………….
Акад. АНМ А.В. Симашкевич, д-р физ.-мат. наук Д.А. Шербан,
канд. физ.-мат. наук Л.И. Брук, Н.Н. Курмей (ИПФ АНМ, Кишинев,
Молдова), д-р техн.наук В.В. Харченко (ГНУ ВИЭСХ)
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНЦЕНТРАТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР
ВОДОРОДА……………………………………………………………………..
Б.М. Абдурахманов, Б.Р. Кутлимуротов (ИЭ АН РУз, г.Ташкент,
Узбекистан), д-р техн. наук Ш.И. Клычев (НПО “Академприбор”,
г.Ташкент, Узбекистан), канд. техн. наук М.И. Осьмаков, канд. техн. наук
Е.М. Сахаров (ООО “СЭМ”, г. Москва)
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ
ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
Д-р техн. наук С.К. Шерьязов, асп. А.Ю. Семенов
(ЧГАА, г. Челябинск)
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВНОГО ПАРАБОЛОТОРИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ…..
Канд. техн. наук В.А. Майоров, асп. В.А. Панченко (ГНУ ВИЭСХ)
МАТРИЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В СОСТАВЕ СХЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ЗАТВОРАМИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ КЛЮЧЕЙ…………….
Акад. Россельхозакадемии Д.С. Стребков, В.З. Трубников
(ГНУ ВИЭСХ)
МАТРИЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ……………………………………………………………
Акад. Россельхозакадемии Д.С. Стребков, канд. физ.-мат. наук
Ю.Д. Арбузов, д-р физ.-мат. наук В.М. Евдокимов, канд. техн. наук
В.А. Майоров, В.И. Поляков, канд. физ.-мат. наук Л.Д. Сагинов
(ГНУ ВИЭСХ)
ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВОК….
Д-р техн. наук В.В. Ермуратский, канд. техн. наук М.А. Грицай,
канд. техн. наук В.И. Бурчиу (ИЭ АНМ, г. Кишинёв, Молдова)
СОЛНЕЧНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ С МНОГОСЛОЙНЫМИ СЕТЧАТЫМИ АБСОРБЕРАМИ…………………………………………
Д-р техн. наук Вл. В. Ермуратский, Вас. В. Ермуратский (ИЭ АНМ,
г. Кишинёв, Республика Молдова)
280
61
69
74
79
85
89
95
101
109
114
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛИНЗАХ ФРЕНЕЛЯ…………………………………………………...
Д-р техн. наук Ш.И. Клычев, С.А. Бахрамов, З.Ш. Клычев (НПО
"Академприбор", г.Ташкент, Узбекистан), д-р техн. наук В.В. Харченко
(ГНУ ВИЭСХ)
СТРУКТУРА БАЗЫ ДАННЫХ ПО МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКЕ
В РАМКАХ РАЗРАБОТКИ ГИС «ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ
«ЭНЕРГИИ РОССИИ»…………………………………………………………
Канд. геогр. наук Л.В. Нефедова (МГУ им. М.В.Ломоносова, г.Москва)
ПРЕИМУЩЕСТВА РАЗВИТИЯ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ…...
Канд. геогр. наук Л.К. Малик (Институт географии РАН, г.Москва)
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СТАНЦИЙ В АПК РОССИИ…………………………………………………..
Канд. физ.-мат. наук В.Г. Николаев, канд. техн. наук С.В. Ганага
(НИЦ «Атмограф», г. Москва)
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРОВОГО ПОТОКА………………………………………………
Д-р техн. наук С.К. Шерьязов, М.В. Шелубаев (ЧГАА, г.Челябинск)
ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ РАЗРАБОТКИ ГЭС С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ ЦИЛИНДРАМИ…………………………………………………………….
Асп. А.А. Сопоев (ГНУ ВИЭСХ)
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОСТРАНЦИИ С КОЛЕБЛЮЩИМСЯ ЦИЛИНДРОМ………………………...
Канд. техн. наук Е.Д. Сорокодум, асп. А.А. Сопоев (ГНУ ВИЭСХ)
ВИХРЕВАЯ ВЕТРО-СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
УСТАНОВКА…………………………………………………………………...
Канд. техн. наук Р.А. Серебряков (ГНУ ВИЭСХ), канд. экон.
наук В.Н. Зазимко (Агенство Инвестиционного Консультирования,
г. Москва)
ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИХРЕВОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ НУЖД СЕЛЬСКОГО
ХОЗЯЙСТВА……………………………………………………………………
Д-р техн. наук В.В. Бирюк, канд. техн. наук С.Б. Горяинов,
канд. техн. наук Д.А. Угланов (НИУ СГАУ им. С.П. Королева, г. Самара),
канд. техн. наук Р.А. Серебряков (ГНУ ВИЭСХ)
АВТОНОМНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ ВЭУ С ВЕТРОЗАЩИТОЙ В ЗОНАХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ……………………………………
Канд. техн. наук С.В. Грибков (НИЦ «ВИНДЭК», г. Москва),
С.А. Лапшин (ООО «ОКБ ВЭС», г. Калуга), д-р техн. наук В.В. Харченко
(ГНУ ВИЭСХ)
281
118
123
128
135
141
144
150
155
162
166
МИКРО-ГЭС ДЛЯ ГОЛОВНОГО ПРУДА РЫБХОЗА «ПИХТОВКА»
ВОТКИНСКОГО РАЙОНА УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ………............
Е.Г. Трефилов, асп. К.В. Первушин, асп. С.А. Широбоков (Ижевская
ГСХА), канд. сель.-хоз. наук Г.С. Крылов (СГУП «Рыбхоз «Пихтовка»)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСТЕНИЯ КАК ИСТОЧНИК ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ………………………………………………………………...
Канд. техн. наук В.В. Чумаков, Д.В. Зимницкий (РУП «НПЦ НАН
Беларуси по механизации сельского хозяйства», г. Минск)
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНГЕНЕРИРОВАННОГО НАВОЗА,
ПОМЕТА………………………………………………………………………..
Канд. биол. наук С.И. Тарасов (ГНУ ВНИИОУ, г. Владимир)
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА………………….
Канд. техн. наук Н.П. Мишуров (ФГБНУ «Росинформагротех»)
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА
АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА…..
Г.В. Макарова, А.А. Можаров (Великолукская ГСХА, г. Великие Луки)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПОСОБА ДВУХСТАДИЙНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ В ПОИСКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ШТАММОВ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОТОПЛИВА…………………..
Канд. биол. наук Н.И. Чернова, канд. биол. наук Т.П. Коробкова,
канд. техн. наук Н.В. Радомский, канд. физ.-мат. наук С.В. Киселева,
канд. физ.-мат. наук С.И. Зайцев, О.Ю. Гайнанова (НИЛ возобновляемых
источников энергии МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва)
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УНИЧТОЖЕНИЯ
ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ НА УСТАНОВКЕ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ВОДНОГО ОКИСЛЕНИЯ………………………………………...
Д-р техн. наук В.С. Григорьев, А.Г. Шошмин (ГНУ ГОСНИТИ)
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ
НЕИСПОЛЬЗУЕМЫХ ВОЛОКНИСТЫХ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОГО
ХОЗЯЙСТВА В ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА МИНЕРАЛЬНОМ СВЯЗУЮЩЕМ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА………………………
Н.В. Нечахин (ФБУ «НИЦПУРО»), г. Мытищи, Московская обл.)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ВОЗДЕЛЫВАНИЯ САФЛОРА В УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО КАЗАХСТАНА
Канд. сель.-хоз. наук Б.Б. Исабеков, канд. сель.-хоз. наук
А.А. Кашкаров (ЮКГУ им. М.Ауезова, г.Шымкент, Казахстан)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
СВЧ-ПОЛЯ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИИ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ СЕРООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В КОТЕЛЬНЫХ
ТОПЛИВАХ.........................................................................................................
О.Е. Аладинская, Ю.А. Кожевников, Ю.М. Егоров, В.В. Сербин,
282
171
175
179
184
189
196
203
209
214
217
канд. техн. наук В.Г. Чирков, С.В. Чирков, д-р хим. наук Ю.М. Щекочихин
(ГНУ ВИЭСХ)
УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ ВЕТРОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ
ДВУХРОТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА..................................................................
Канд. техн. наук Г.В. Степанчук, асп. К.С. Моренко (АЧГАА,
г. Зерноград)
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ БИОТОПЛИВ
В СИСТЕМЕ ДОПУСКА ИХ К ПРОИЗВОДСТВУ И ПРИМЕНЕНИЮ…...
Ю.Н. Сапьян, канд. техн. наук В.А. Колос, М.А. Воробьев
(ГНУ ВИМ)
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ДОПУСКА
К ПРОИЗВОДСТВУ И ПРИМЕНЕНИЮ БИОТОПЛИВ……………………
Ю.Н. Сапьян, канд. техн. наук В.А. Колос, Е.Н. Кабакова
(ГНУ ВИМ)
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОСКВАЖИН ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Канд. техн. наук С.Н. Трушевский (ГНУ ВИЭСХ)
ОЧИСТКА БИОГАЗА МЕСТНЫМ МАТЕРИАЛОМ…………………
Проф. К.Г. Фаталиев, Г.И. Кулиева, И.А. Алыев, Р.М. Расулов
(Азербайджанский НИИ «Агромеханика», г.Гянджа)
ЕМКОСТНОЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР ИЗ ТЕКСТИЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ…………………………………………………………………
Д-р техн. наук Л.И. Жмакин, канд. техн. наук. И.В. Козырев,
А.А. Крюков, М.В. Назарова (МГТУ им. А.Н. Косыгина, г. Москва)
О РАЗРАБОТКЕ РОССИЙСКИХ СТАНДАРТОВ
ПО БИОЭНЕРГЕТИКЕ………………………………………………………...
Канд. биол. наук Т.И. Андреенко, канд. физ.-мат. наук
Н.А. Рустамов, д-р физ.-мат. наук А.А. Соловьев (Географический
факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, г.Москва)
OFF-GRID PHOTOVOLTAIC SYSTEM CONSTRUCTED AT
THE CZECH UNIVERSITY OF LIFE SCIENCES…………………………….
M. Libra (Czech University of Life Sciences Prague, Prague,
Czech Republic), V. Poulek (Poulek Solar, Ltd., Prague, Czech Republic)
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ КАРБОНИЗАЦИИ БИОМАССЫ СПОСОБОМ ТОPРЕФАКЦИИ…………………………
Канд. техн. наук П. Евич, проф. З. Шедива (ВУЗТ, г. Прага, Чешская
Республика); д-р сель.-хоз. наук В.О. Дубровин (НУБиП, г. Киев, Украина)
283
226
232
240
247
254
256
261
267
273
Научное издание
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
ТРУДЫ
8-й Международной научно-технической конференции
(16 - 17 мая 2012 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ)
Часть 4
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.
МЕСТНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ.
ЭКОЛОГИЯ
РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКАЯ ГРУППА ГНУ ВИЭСХ
Редактор Т.А. Гудкова
Компьютерный оригинал-макет
Т.А. Гудкова, И.М. Добровольская
Подписано в печать 23.04.2012.
Тираж 150 экз.
Формат 60х84/16.
Печать офсетная.
Объем 17,75 печ. л.
Заказ № 33.
Отпечатано в ООО «Издательство Агрорус»
119590, Москва, ул. Минская, д. 1Г, корп. 2
284