Источники и способы передачи энергии – глобальные решения

08.05.2021 JeeesAdmin 2021-01 0

Стребков Дмитрий Семёнович[0000-0002-2572-801X]

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва, Россия

E-mail: nauka-ds@mail.ru

Аннотация. В статье представлено интервью зам. главного редактора журнала «Окружающая среда и энерговедение» К.С. Дегтярева с академиком РАН Дмитрием Семёновичем Стребковым, научным руководителем Федерального научного агроинженерного центра ВИМ, зав. Международной кафедрой ЮНЕСКО «Возобновляемая энергетика и сельская электрификация». 

Ключевые слова: солнечная энергетика, солнечные электростанции, глобальная энергетическая система,передача энергии, технологии Н. Теслы.

1. Новые подходы и глобальные решения в солнечной энергетике

Дмитрий Семёнович, какими Вы видите перспективы мировой энергетики?

Скажу, что возобновляемая энергетика – это самый «раскрученный» тренд в энергетике, это очевидно. Просто делается много ошибок. И поэтому возникают такие казусы, как замёрзший Техас. Но, если делать всё по-умному, то ничего этого не будет.

А как сделать по-умному?

Мы предложили, запатентовали и опубликовали свой проект ещё в 2003 году [1], устраняющий очевидные недостатки солнечной энергетики. У нас много публикаций на эту тему. Мы предложили глобальную солнечно-энергетическую систему, которой не нужны аккумуляторы, где солнце светит круглосуточно и круглогодично.

Принцип такой: чтобы не было зимы, мы ставим станции в Северном и Южном полушарии, чтобы не было ночи, мы ставим их через 1200 по широте. Тогда солнце находится одновременно не менее, чем над двумя станциями. Мы выбрали пустыни: Сахара, пустыни в Австралии и Мексике, где, по данным метеонаблюдений за последние 70 лет, самый высокий приход солнечной радиации (рис.2).

После проведения расчётов выяснилось, что нам надо поставить всего 3 станции мощностью по 2,5 тераватт каждая —  всего 7,5 ТВт. Каждая станция займёт около 60 тыс. км2, или квадрат примерно 200х300 км. Этой мощности хватило бы, чтобы обеспечить всё потребление электроэнергии человечеством, и такую систему очень легко приспособить к росту энергопотребления, наращивая новые модули по мере необходимости.

Примечание. В 2003 году мировое годовое потребление электроэнергии составило около 17 000 ТВтч [3]. Выработка такого количества электроэнергии комплексом станций общей мощностью 7,5 ТВт возможна при среднем коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ), равном 26%. К 2020 году мировое производство и потребление энергии выросло в 1,6 раза и достигло 27 000 ТВтч.

Но как построить и обслуживать эти мощности, и как обеспечить достаточно высокий КИУМ?

Да, понятно, что предложить мало, надо ещё подумать, как это легко осуществить. Мы начали с кремния. Его потребуется много, но его много и в земной коре, состоящей из кремния на 20%. У меня больше 10 патентов дешёвых способов его получения [4]. Это технология, которой пока нет ни у кого в мире.

И как решить проблему «неэкологичности» производства кремния для солнечных модулей? Это очень энергозатратно, это требует хлора…

Да. У нас сейчас бесхлорные технологии [5]. Мы получаем из песка чистый кремний и чистим его тоже без хлора, а с помощью этилового спирта. Так что с экологией всё нормально.

Дальше надо было увеличить долговечность солнечных модулей. Обычный срок службы модулей – около 20 лет, потому, что герметизацию между элементами обеспечивает так называемый этиленвинилацетат (ЭВА). Мы придумали замену в виде силиконового резиноподобного герметика — силиконового геля [6].  Срок службы увеличился до 40 лет, хотя мы думаем, что будет 50 лет.

И теперь последнее, что осталось – увеличить КИУМ.

Да, ведь он у солнечных станций обычно больше 20% не бывает…

В Германии он в среднем 12%, в Анапе будет, может, 15%, в Египте – 20%. Но мы придумали станцию, где КИУМ будет 45%, и также запатентовали и опубликовали [6]. Ещё в 1967-70 гг. мы разработали новые солнечные элементы [7] — двусторонние. На тот момент мы были первыми в мире.  И моей кандидатской и докторской работой в 1980-е были как раз двусторонние солнечные элементы. Сейчас их уже выпускает Китай, Германия, США, но, почему-то, Россия не выпускает.

Что они дают? Чтобы получить большой КИУМ, нужно, чтобы утром солнечный луч как можно раньше попал на элемент. Все станции ставят ориентацией на юг. А мы ставим на восток – это первое отличие. А, поскольку они двусторонние, то естественно, что, когда солнце будет на западе, станция тоже будет до заката получать энергию.

А дальше, чтобы КИУМ увеличить, можно следить за солнцем, но мы считаем, что для больших станций следить за солнцем – это большой элемент ненадёжности. Поэтому мы поставили солнечные модули вертикально, стационарно, с зазором и поставили между ними зеркала. И, когда мы всё это сделали, измерили и посчитали, КИУМ получился равным 45%. Такого в мире не было никогда, и считалось, что это невозможно.

Но, конечно, для этого лучше низкие широты – Сахара, например, с тропическим солнцем. Или, по крайней мере, таким, как наше летнее. Летом у нас солнца не меньше, чем на юге, главная наша проблема – зима.

Попутно, если говорить о зеркальных отражателях и пустынных территориях в низких широтах – у нас есть и проект нивелирования эффекта глобального потепления с помощью установки систем зеркал в определённых районах Земли [8], и наши расчёты показывают его высокую экономическую эффективность.

Но, насколько я понимаю, в Сахаре могут быть свои проблемы – при высоких температурах ведь продуктивность солнечных батарей снижается.

Она везде будет снижаться. В принципе, все существующие станции рассчитаны на диапазон температур от -30 до +900С. А наши модули с силиконовым гелем рассчитаны на диапазон от -60 до +1150С, т.е. они способны работать и зимой в Якутии, и в Антарктиде, в условиях, когда ЭВА не выдерживает – твердеет и разрывает солнечные элементы. 

Итак, возвращаясь к нашему проекту глобальной солнечной энергосистемы – сначала мы думали, что главная проблема – построить эти станции. Но сейчас публикуют прогнозы развития солнечной энергетики, согласно которым общая мощность солнечных станций в мире к 2050 году может достигнуть 19 ТВт.

Примечание. В 2003 году суммарная установленная мощность солнечных фотовольтаических станций в мире составляла всего 2,6 ГВт, к 2020 году она выросла в 230 раз и достигла 600 ГВт, или 0,6 ТВт [9].   Солнечная энергетика в настоящее время и по прогнозам на ближайшие десятилетия является наиболее динамично растущим направлением возобновляемой энергетики.

 Это в 3 раза больше, чем нужно по нашим расчётам.  При этом, 30% всех мощностей будет на крышах —  т.е. только на крышах будет больше 7,5 ТВт, которые не будут занимать площади на земле.

Главная проблема – соединить эти электростанции между собой линиями электропередач. Далее их надо включить в общую энергосистему Земли или, хотя бы, соединить между собой.

Сейчас первая ласточка – план крупнейшей в мире солнечной станции – на 10 ГВт и крупнейшей системы аккумуляции в Австралии с передачей энергии по линии постоянного тока протяжённостью 4 500 км в Сингапур – Линия электропередачи Австралия – АСЕАН, или Australia–ASEAN Power Link (AAPL) [10; 11]. Это будет подводная линия, но дальше по Азии по наземным линиям передавать энергию будет уже проще. Перспективны также проекты передачи электроэнергии от солнечных станций из Сахары в Европу и из Средней Азии в Сибирь.

У нас сейчас идут переговоры и исследования с Китаем, предложившим нам ставить крупные ветровые станции на Дальнем Востоке (на Чукотке, на Камчатке) для передачи энергии в Китай, также по линии постоянного тока.  Они позволяют перебрасывать энергию на большие расстояния, в том числе с Дальнего Востока в Европу, причём для этого можно использовать инфраструктуру электрифицированных железных дорог, если дополнительно проложить кабель.

2. Способы передачи энергии 

Но мы можем предложить и нечто другое. Я имею в виду технологии Николы Теслы – однопроводной и беспроводной, резонансной передачи электроэнергии, которыми я занимаюсь уже много десятков лет. У нас также есть ряд патентов [12; 13], публикаций и перспективных разработок по этой теме, уже заинтересовавших ряд крупных энергетических компаний.

Один из ряда примеров — зарядка электромобиля во время движения [14]. Сейчас главная беда электромобиля – это его аккумулятор. Он очень тяжёлый, у электромобиля Tesla – 500 кг, и дорогой — стоит столько же, сколько сам электромобиль.  Например, в московском электробусе стоимость аккумулятора 10 млн. рублей.  Если можно подзаряжать его в дороге, он будет уже раза в три меньше по размерам, и стоимость будет раза в три меньше. Это будет тоже очень существенный вклад в развитие электротранспорта. А то, что за ним будущее – это 100%.

Но Тесла проводил свои эксперименты более 100 лет назад. Их даже не смогли потом повторить в полной мере и, в целом, электротехника пошла по другому пути. С чем это связано?

Получилось так, что электротехника «ушла» в трёхфазные линии, причём именно Тесла придумал трёхфазные асинхронные двигатели с вращающимся магнитным полем, и дальше всё стало развиваться в этом направлении. А Тесла, почему-то так сложилось, не оставил после себя учеников. Хотя мы этим занимаемся, у меня уже по технологиям Теслы защитились двое аспирантов и один доктор наук, мы выпустили учебник [15], позже неоднократно переиздававшийся. Но, в принципе, это надо преподавать в вузах. Это другая электротехника, с трудом воспринимаемая людьми, которых ещё в школе научили, что ток должен идти по двупроводной линии от плюса к минусу и никак иначе.

Сейчас идеи Теслы лучше воспринимают радисты, у которых любая антенна – это однопроводная линия, есть высокая частота и резонансные контуры, которых нет в традиционной электротехнике. Отмечу, что я преподавал 20 лет на кафедре Основ радиотехники и телевидения, был профессором кафедры и читал свой курс лекций уже с учётом идей Теслы.

Другая проблема, которая также сейчас преодолевается – несовершенство и высокая стоимость материалов и оборудования. Например, когда мы свою первую однопроводную линию делали в 2003 году, мы даже не могли купить преобразователь частоты. Были тиристорные преобразователи с водяным охлаждением, 20 кВт – 400 кг.  А сейчас есть, например, преобразователи частоты IGBT, это совсем другая техника – полевые транзисторы с воздушным охлаждением, и весом не 400, а 20 кг. Мы также не могли найти высоковольтный кабель и использовали кабель от систем зажигания автомобилей – ПВ1, 10 кВ, 1 мм, медная жила.  А сейчас в свободном доступе силиконовые кабели диаметром всего в 12 мм и не на 10, а на 150 кВ. Короче говоря, техника быстро совершенствуется, и на её современном уровне появляются более широкие возможности использования технологий Теслы.

Литература

  1. Стребков Д.С. (RU), Иродионов А.Е. (RU), Базарова Е.Г. (RU) Солнечная энергетическая система (варианты). Патент RU 2259002 С2. 2003.03.25.
  2. Стребков Д.С. Технологии крупномасштабной солнечной энергетики // Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ. URL: https://viesh.ru/pre/renow/sun/str-sunt/, дата обращения 17.03.2021.
  3. BP Statistical Review for World Energy. URL: https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html, дата обращения – 17.03.2021.
  4. Заддэ В.В. (RU), Стребков Д.С. (RU), Стенин В.В. (RU). Способ получения кристаллического кремния высокой чистоты (варианты). Патент RU 2385291.
  5. Бесхлорное получение солнечного кремния URL: https://viesh.ru/chloreless-si-production/, дата обращения – 17.03.2021.
  6. Стребков Д.С., Шогенов Ю.Х., Бобовников Н.Ю. Повышение эффективности солнечных электростанций // Инженерные технологии и системы. – 2020 – т.30, №3 – с. 480 – 497.
  7. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. В 3-х томах. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009-2010 (монография). – Том 1 — 120 с. (7,5 п.л.); том 2 — 228 с. (14,25 печ.л.); – том 3 — 312 с.
  8. Стребков Д.С. Проблемы регулирования климата изменением радиационного баланса Земли // Энергетический вестник, №26/2020, с.20-34.
  9. IRENA URL: https://irena.org/solar , дата обращения – 17.03.2021.
  10. Australia – ASEAN Power Link, URL: https://infrastructurepipeline.org/project/australia-asean-power-link/, дата обращения – 18.03.2021.
  11. Australia fast-tracks plan to send solar power to Singapore URL: https://www.straitstimes.com/business/economy/australia-fast-tracks-plan-to-send-solar-power-to-singapore, дата обращения – 18.03.2021.
  12. Стребков Д.С., Юферев Л.Ю., Верютин В.И., Рощин О.А., Трубников В.З. Способ беспроводной передачи электрической энергии и устройство для его осуществления. Патент № 2411 142 от 10.02.2011 Бюл. № 4.
  13. Стребков Д.С., Трубников В.З., Некрасов А.И., Некрасов А.А., Рощин О.А., Юферев Л.Ю. Электрический высокочастотный резонансный трансформатор (варианты). Патент № 2423 746 от 20.03.2011 Бюл. № 8.
  14. Беспроводная зарядка электротранспорта URL: https://viesh.ru/wireless-charge/, дата обращения – 18.03.2021.
  15. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. — 3-е издание, переработанное и дополненное (монография). — М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. — 352 с.

References

  1. Strebkov D.S. (RU), Irodionov A.E. (RU), Bazarova E.G. (RU). Solar Power System (variants). Patent RU 2259002 С2. 2003.03.25.
  2. Strebkov D.S. Technologies of Large-Scale Solar Power Systems // Federal Scientific Agroengineering Center VIM. URL: https://viesh.ru/pre/renow/sun/str-sunt/, reference date 17.03.2021.
  3. BP Statistical Review for World Energy. URL: https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html, reference date 17.03.2021.
  4. Zadde V.V. (RU), Strebkov D.S. (RU), Stenin V.V. (RU). Recipe of Production of High Purity Crystalline Silicon (variants). Patent RU 2385291.
  5. Chlorine-less Production of Solar Silicon. URL: https://viesh.ru/chloreless-si-production/, reference date 17.03.2021.
  6. Strebkov D.S., Shogenov Yu.Kh., Bobovnikov N.Yu. Improvement of Efficiency of Solar Power Plants // Engineering Technologies and Systems – 2020 – vol.30, №3 – pp. 480 – 497.
  7. Strebkov D.S. Matrix Solar Elements. In 3 volumes. – Moscow: GNU VIESH, 2009-2010 (monograph).
  8. Strebkov D.S. Problems of Climate Management through the Change of Radiation Balance of the Earth // Energy Bulletin, №26/2020, p.20-34.
  9. IRENA URL: https://irena.org/solar , reference date 17.03.2021.
  10. Australia – ASEAN Power Link, URL: https://infrastructurepipeline.org/project/australia-asean-power-link/ , reference date 18.03.2021.
  11. Australia fast-tracks plan to send solar power to Singapore URL: https://www.straitstimes.com/business/economy/australia-fast-tracks-plan-to-send-solar-power-to-singapore, reference date 18.03.2021.
  12. Strebkov D.S., Yuferev L.Yu., Veryutin V.I., Roshchin O.A., Trubnikov V.Z. Recipe of Wireless Transmission of Electricity and Its Processing Device. Patent № 2411 142 of 10.02.2011 Bul. № 4.
  13. Strebkov D.S., Trubnikov V.Z., Nekrasov A.I., Nekrasov A.A., Roshchin O.A., Yuferev L.Yu. Electric High-Frequency Resonance Transformer. Patent № 2423 746 of 20.03.2011 Bul. № 8.
  14. Wireless Charge of Electric Transport. URL: https://viesh.ru/wireless-charge/, reference date 18.03.2021.
  15. Strebkov D.S., Nekrasov A.I. Resonance Methods of Electricity Transmission and Use. – 3rd edition, elaborated and enhanced  — Moscow: GNU VIESH, 2008. — 352 p.