ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА ГЕОСФЕР: НОВЫЕ ИДЕИ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

А.А. Соловьев[1],[2]

Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия

E-mail: a.soloviev@geogr.msu.ru


[1] ORCID 0000-0002-4376-1120

[2] Вниманию читателей предлагается публикация краткого содержания лекции, прочитанной проф. А.А.Соловьевым студентам на Физическом факультете МГУ в январе 2020 г. Публикация посвящена памяти выдающегося ученого, доктора физико-математических наук, профессора, академик РАЕН, заведующего лабораторией возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ, Заслуженного научного сотрудника Московского университета Александра Алексеевича Соловьева (1943-2020).

Аннотация. В статье рассматривается новые подходы к научным исследованиям и идеи в возобновляемой энергетике геосфер, которые привлекают к себе пристальное внимание во всех странах мира.

Ключевые слова: энергетика, география, ВИЭ, моделирование, ресурсы, технологии

Особенность энергетики использующих возобновляемые ресурсы атмосферы, гидросферы и литосферы состоит в необычности ее источников энергии. В их основе процессы, постоянно существующие или периодически возникающие в природе, обеспечивающие возможность извлекать энергию без истощения ее природных запасов. Основные источники возобновляемой энергии сфокусированы на следующих составляющих: солнечное излучение, водные и воздушные течения, волны и приливы, биомасса, геотермальное тепло.

В России внутренний энергетический сектор изобилует традиционными видами топлива, и по возобновляемым источникам энергии имеет место существенное отставание от других стран. Суммарная доля возобновляемой энергетики с нетрадиционными источниками энергии в российском энергетическом балансе находится на уровне 1%. К источникам энергии на возобновляемых ресурсах с наиболее продвинутыми технологиями  относятся следующие:

Ветер и технология ветряных установок  только в 70-х годах прошлого века стали активно применяться в качестве источников альтернативной энергии. Были созданы первые ветряные электростанции, стали появляться ветропарки с генераторами, преобразующими электрическую энергию ветра. Сейчас лидируют по числу таких электростанций Германия, Дания, Испания, США, Индия и Китай.  Рассматриваются новые технологические решения используемые в  ветроэнергетике, позволяющие снизить капитальные затраты и себестоимость выработки электроэнергии.  

Широко обсуждаются бинарные технологии геотермальных электростанций, которые используют тепло природных горячих источников, преобразовывая его в электрическую энергию и  одновременно обеспечивая теплоснабжение. Первая такая электростанция была пущена в эксплуатацию в Италии в 1904 году. Причем работает она до сих пор и довольно успешно! Сейчас такие станции построены в 72 странах мира, лидируют здесь США, Филиппины, Исландия и Россия.

Приливы и отливы в прибрежных зонах океана настолько сильны, что своим течением они способны выработать довольно большое количество энергии. Плотиной разгораживаются верхний и нижний бассейны, при движении воды вращаются лопасти турбины, которая приводит в действие генератор электричества. На планете всего 40 таких станций, потому что мало, где соблюдено природой основное требование – разница уровня в бассейнах 5 метров. Построены приливные станции во Франции, Канаде, Китае, Индии, России.

Важной составляющей эффективного использования возобновляемых источников энергии является фундаментальные исследования и инновационные технологические разработки. В настоящее время  выделяются для представления наиболее перспективные  работы по фотовольтаическим преобразователям, солнечным элементам на органических полимерах, искусственному фотосинтезу, генетически модифицированным водорослевым микроорганизмам источникам биотоплива.  В частности, отмечаются  фундаментальные и прикладные исследования лаборатории ВИЭ  СПБ НИА Университета  в области полупроводниковых наногетероструктурных фотоэлектрических преобразователей, разработки систем автоматического мониторинга фотоэнергетических установок с дистанционным доступом к данным  [1].

В МГУ выполняются исследования возобновляемых источников энергии с использованием лабораторного моделирования процессов преобразования солнечной энергии в кинетическую энергию  аэротермических движений, в биомассу, аккумулирующую энергию фотосинтеза, в фотоэлектричество. Модельные исследования преследуют цель обеспечить решение двух задач ¾ диагностики и имитации процессов эффективной генерации энергии при различных значениях параметров среды и краевых условиях.

Для модели электростанции солнечного ветра получено  решение системы аэротермических уравнений применительно к определению эффективности  процесса преобразования тепла  солнечного излучения. Из полученных решений следует, что управлять величиной коэффициента преобразования солнечной энергии можно путем подбора оптимальных значений угла закрутки потока, высоты коллектора, его радиуса, а также  высоты и радиуса вытяжной трубы. В электростанции солнечного ветра  с характеристиками испанской станции коэффициент эффективности, рассчитанный по формуле составляет 6,5 % против значения 0,65% испанской электростанции. Такие же  значения получены и в экспериментах  с моделью, имитирующей предложенные технологические дополнения в электростанцию в сравнении с моделью, воспроизводящей вариант испанской станции [2].

Опыт использования имитационного моделирования процессов преобразования солнечной энергии был распространен и на модели биоэнергетических   установок, воспроизводящих инновационные элементы технологий эффективной аккумуляции солнечной энергии в биомассу микроводорослей и ее последующим преобразованием в биотопливо. Были созданы  и испытаны различные варианты двух стадийной схемы культивирования [3]. На первой стадии в фотореакторах наращивалось большое количество альгологически чистой биомассы, которая затем помещалась в открытые системы с максимальным освещением и низкими кон­центрациями питательных веществ. В условиях физиологического стресса  происходило быстрое нарастание биомассы и усиленный биосинтез масла в клетках. Энергетическая продуктивность биомассы в среднем могла достигать значений порядка 763 ГДж/га/год. Это значительно выше аналогичных значений (порядка 50 ГДж/га/год), которые получается при выра­щивании наземных растения. Сравнительный анализ продуктивности масличных куль­тур (рапса) и микроводорослей как сырья для зеленого топлива свидетельствует о принципиальной возможности замены наземных растений микроводорослями для энер­гетических целей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Zelentsov, K. S., Gudovskikh, A. S. 2016.GaP/Si anisotype heterojunction solar cells // Journal of Physics: Conference Series 741:012096

2. Soloviev A.A. 2014.Vortice convettivo di energia solare//Italian Science Review.6: 91-94.

3. Chernova, N.I., Korobkova, T.P., Kiseleva S.V. 2010. Use of Biomass for producing liquid Fuel: Current State and Innovation.//Thermal Engineering. 57(11): 937-945.