CC BY
89
УДК 620.91, 623.4.017
А. Ю. Тычков, С. Д. Исаев, Н. С. Иванов, М. В. Кирин, Я. В. Матанов
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА НА ОБЪЕКТАХ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ: ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Аннотация. Рассматриваются различные способы получения альтернативных источников энергии, обеспечивающие бесперебойную работу средств военного назначения. Предметом исследования являются военная техника, снаряжение военнослужащего и объекты инфраструктуры, используемые, как правило, в полевых условиях и местах, отдаленных от средств электрификации и газификации территорий. Проводится литературный обзор широкого применения источников альтернативной энергии при проектировании и организации производства объектов военного назначения, представляющих собой перспективные решения, соответствующие стратегии научно -технологического развития РФ. Рассматриваются области практического применения солнечной энергии, энергии ветра, биотоплива, водородного топлива, ядерной энергии и термоэлектричества при создании новых видов объектов военного назначения.
Ключевые слова: альтернативная энергия, инфраструктурные объекты, средства военного назначения.
Введение
В современном научном обществе энергетика является базой для развития основных отраслей промышленности и производства. Исследование, результаты которого представлены в настоящей статье, соответствует направлению стратегии научно-технологического развития Российской Федерации «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».
Альтернативная энергетика - это совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые предоставляют производителям военной техники больше возможностей для эффективного ее применения при низком риске причинения вреда окружающей среде и здоровью военнослужащих и гражданских лиц [1].
В природе различают следующие виды альтернативной энергии: солнечная энергия, энергия ветра, биотопливо, водородное топливо, ядерная энергия, термоэлектричество.
В настоящее время разрабатываются различные способы получения альтернативной энергии. Необходимость этого обусловлена работой на территориях и полигонах, отдаленных от средств электрификации и газификации. Далее приведен литературный обзор широкого применения различных источников альтернативной энергии для создания новых видов военной техники, снаряжения военнослужащих и объектов инфраструктуры.
Направления применения альтернативной энергии
Самым распространенным и доступным видом альтернативной энергии является солнечная. Солнце - это самый мощный на сегодняшний день источник энергии. Применение данного вида энергии является распространенным явлением, солнечные элементы и аккумуляторы получили большую популярность [2-4].
Принцип работы всех солнечных элементов построен на фотоэлектрическом эффекте - преобразовании энергии света в электричество [5]. Впервые солнечные элемен-
© Тычков А. Ю., Исаев С. Д., Иванов Н. С., Кирин М. В., Матанов Я. В., 2020.
ты были применены на космических спутниках «Vanguard-l» (США) и «Спутник-3» (СССР) в 1958 г. [6].
Развитие солнечной энергетики привело также к созданию тонких и гибких энергоемких панелей, применяемых в производстве оборудования и средств военной техники (рис. 1) [7, 8].
Рис. 1. Мобильный комплект на солнечных батареях
В Вооруженных силах США солнечные модели получили широкое распространение при развертывании временных военных лагерей с палатками и тентами из гибких солнечных панелей (рис. 2) [9].
Рис. 2. Военный лагерь на солнечных батареях
Наравне с солнечной энергией наиболее доступной считается энергия ветра. В настоящее время общая мощность действующих, конструируемых и планируемых к вводу на территории России ветроэнергетических установок и ветроэнергетических систем составляет 200 МВт. Мощность отдельных ветрогенераторов, изготавливаемых российскими предприятиями, находится в диапазоне от 0,04 до 1000 кВт [10]. В армии США применяется переносное устройство генерации энергии - RENEWS (Reusing Existing Natural Energy, Wind, and Solar) [11]. RENEWS представляет собой переносную ветряную турбину, предназначенную производить до 300 Вт энергии в полевых условиях.
Получение биогаза из отходов также стало одним из решений альтернативной энергетики. Стоки от производств животного происхождения считаются в 10 раз опаснее, чем коммунальные или бытовые. Получение биогаза влияет на снижение объемов отхо-
дов и соответственно степени использования энергии из углеводородного сырья. В состав биогаза, как правило, входят метан (40-60 %), углекислый газ (30-44 %), азот (5-25 %), а также незначительно водород и сероводород. Количество биогаза зависит от используемого сырья. При переработке одной тонны отходов животного происхождения можно получить 400-500 м3 биогаза. Однако теплота сгорания данного топлива по прежнему уступает природному: 1 м3 биогаза эквивалентен 0,8 м3 природного газа [12].
Другой вид альтернативной энергии - водород-воздушные топливные элементы, представляющие собой перспективные энергетические системы при высоком КПД (50-75 %) и отсутствии вредных выбросов. Принцип работы водород-воздушных топливных элементов заключается в расщеплении молекул водорода на протоны и электроны. Химическая энергия молекул водорода и кислорода преобразуется в электрическую энергию (с КПД до 60 %), а результатом реакции является чистый водяной пар [13].
Электрохимический генератор (ЭХГ) представляет собой химический источник тока, в котором реагенты в ходе электрохимической реакции поступают к электродам. ЭХГ состоит из батареи топливных элементов, систем хранения и подачи реагентов, отвода продуктов реакции, контроля и автоматического управления [14].
С середины 1970-х гг. в СССР, США, ФРГ, Франции, Японии начаты работы по созданию и использованию водородно-кислородных и особенно водородно-воздушных ЭХГ. Применение таких видов источников энергии в радиоустройствах способствовало решению проблемы сохранения чистоты окружающей среды. В работе А. И. Груздева [15] отмечается, что КПД водородно-кислородных ЭХГ, созданных в СССР и США, достигает 70-80 %, КПД ЭХГ, работающих при постоянном давлении и температуре, теоретически может достигать 100 % [15].
Водород как альтернативный источник энергии нашел широкое применение при производстве беспилотных летательных аппаратов [16]. Известный беспилотный аппарат «Инспектор-402» (рис. 3) работает на водородном топливе, что обеспечивает тихий ход, бесшумность и отсутствие тепловых следов в небе. Водород используется в качестве топлива в гибридных силовых установках тяжелых и сверхтяжелых летательных аппаратов и в элементах с ионообменной мембраной.
Рис. 3. Беспилотный аппарат «Инспектор-402»
Компания NEC Corporation в 2003 г. объявила о серийном выпуске полевого персонального компьютера, работающего на метаноле [17]. Время работы такой системы на одной зарядке составляет не менее 2 ч. Однако метанол оказывает сильное токсичное влияние на организм человека даже в небольших количествах [15].
ФГУП ГНПП «Квант» [18] в 2005 г. представило миниэлектростанции с выходным напряжением мощностью до 60 Вт на базе солевого электролита. Более ранние разработки, такие как тепловые батареи, обеспечивали питание ракетных комплексов «С-300», «С-400», «Смерч», «Булава», «Торнадо», «Искандер», «Пакет», «Аврора», «Загон», «Ярс» [19].
В последние несколько лет вводятся в эксплуатацию электроустановки на базе рас-плавленно-карбонатных топливных элементов. На авиабазе США «Млгашаг» применяется электроустановка мощностью 250 кВт [15].
На сегодняшний день насчитывается несколько сотен атомных электростанций по всему миру [20]. Количество энергии, которое выделяется при делении ядер некоторых радиоактивных элементов несравнимо велико, что сделало возможным создание атомных электростанций. Данную энергию получают в результате деления ядер урана-235 или плутония [21]. Уран имеет широкое распространение, но при этом труднодоступен. Самые богатые урановые руды содержат до 10 % чистого продукта. Радиоактивный торий напоминает уран, но отдает в 90 раз больше энергии. Торий играет второстепенную роль в ядерных реакторах. Его запасы в земле превышают запасы урана в 3-4 раза, так что потенциально торий способен обеспечить человечество энергией на сотни лет [22]. Данный вид энергии используется на атомных подводных лодках и атомных ледоколах [23]. Все существующие в настоящее время атомные ледоколы спроектированы в СССР и России: «Севморпуть», «Таймыр», «Вайгач», «Ямал» и «50 лет Победы».
В 1989 г. опубликована первая работа об электрохимическом индуцированном ядерном синтезе - превращении дейтерия в тритий или гелий в условиях электролиза на палладие-вом электроде [24]. В то же время исследователи вычислили, что при синтезе ядер водорода получается в пять раз больше энергии, чем при делении урана-235 [25]. Данные публикации заложили фундаментальную основу развития ядерной энергетики в XXI в.
Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) - явление образования электродвижущей силы внутри замкнутой электропроводящей цепи, сформированной разнородными проводниками с помощью последовательного соединения и разницы в температуре на спаях [26]. Данный эффект нашел широкое применение в производстве термоэлектрических генераторов, позволяющих обеспечить преобразование сбросовой тепловой энергии, выделяемой двигателем машины, в форму электрической энергии [27].
Устройства, работающие на эффекте Зеебека, нашли широкое применение в военной сфере, а именно для энергообеспечения космической техники и усовершенствования новой системы боевой экипировки третьего поколения «Сотник» (рис. 4) [28].
Рис. 4. Комплект боевой экипировки «Сотник»
Заключение
Авторами настоящей статьи проведен обзор описанных в литературе известных решений средств и объектов инфраструктуры военного назначения, в которых нашли широкое применение источники альтернативной энергии. Анализ литературных источников по тематике исследования показал, что число работ, в которых рассматриваются вопросы развития альтернативной энергии, достаточно велико.
Дальнейшие пути развития альтернативной энергетики должны соответствовать приоритетам развития РФ с учетом специфики различных войск и их географического положения. Перспективным направлением практического применения солнечной энергетики и биотоплива должна стать малогабаритная модульная механизированная военная техника, направленная на обеспечение безопасности и сохранение здоровья населения.
Библиографический список
1. Арсентьева, Н. А. Альтернативная энергетика / Н. А. Арсентьева. - Чебоксары : Нац. б-ка Чуваш. Респ., 2014. - Вып. 2. - 16 с.
2. Ученые Южной Кореи создали подкожную солнечную батарею. - URL: https:// nauka.tass.ru
3. Во Франции открыли первую дорогу из солнечных панелей. - URL: https://theuk.one
4. Применение солнечных батарей. - URL: https://www.sun-battery.biz
5. Кислов, А. Н. Внешний фотоэффект и его основные законы : метод. указания / А. Н. Кис-лов. - Екатеринбург : ГОУВПО УГТУ-УПИ, 2005. - 22 с.
6. Солнечным батареям - 60 лет. - URL: https://habr.com/ru
7. Подъем солнечной энергетики на американских военных базах. - URL: http:// aenergy.ru/4287
8. Российские военные начнут заряжать свое оборудование с помощью солнечных батарей. -URL: https://tass.ru
9. Рябов, Н. В. Перспективы развития солнечной энергетики в Вооруженных силах / Н. В. Рябов, А. Н. Розе, Е. А. Рябова // Россия молодая : сб. материалов XI Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых. - Кемерово : КузГТУ, 2015. - С. 125-129.
10. Лотаков, Н. А. Альтернативные источники энергии и их применение в восках РТВ / Н. А. Лотаков, Н. Е. Цыганков, А. В. Чудиков // Аллея Науки. - 2019. - № 4 (31). - С. 385-387.
11. Army Scientists Developing Deployable Renewable Equipment. - URL: https://cleantechnica.com
12. Пермякова, Д. К. Биогаз как альтернативный источник энергии / Д. К. Пермякова, Н. К. Пермякова // Аллея Науки. - 2018. - № 8 (24). - С. 36-42.
13. Для российских военных создали уникальный источник энергии. - URL: https://tvzvezda.ru
14. Лидоренко, Н. С. Большая советская энциклопедия. Электронное издание / Н. С. Лидо-ренко, Г. Ф. Мучник, 2012.
15. Груздев, А. И. Состояние и перспективы развития производства высокотехнологичных автономных источников электрической энергии в России / А. И. Груздев // Электрохимическая энергетика. - 2016. - Т. 6 (1). - С. 3-29.
16. Звягинцева, А. В. Перспективы развития альтернативных источников энергии в беспилотной авиации / А. В. Звягинцева / Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. - 2019. -№ 10, Т. 1. - С. 125-127.
17. Официальный сайт компании NEC Global. - URL: https://www.nec.com
18. Официальный сайт компании АО «НПП "Квант"». - URL: http://npp-kvant.ru
19. Денискин, А. Г. Резервные тепловые химические источники тока. Этапы развития и перспективы / А. Г. Денискин // Автономная энергетика: технический прогресс и экономика. -2014. - № 32. - С. 46-51.
20. Брылева, В. А. Использование уран-плутониевого топлива в легководных реакторах /
B. А. Брылева, Е. Ф. Войтецкая, Л. М. Нарейко // Информационный бюллетень ГНУ «ОИЭЯИ-Сосны» НАН Беларуси. - 2012. - № 1 (9). - C. 124.
21. Черноруков, Н. Г. Уран. Прошлое, настоящее и будущее : электрон. учеб. пособие / Н. Г. Черноруков, О. В. Нипрук. - Нижний Новгород : Нижегород. гос. ун-т, 2010. - 52 с.
22. Алексеев, С. В. Торий в ядерной энергетике / С. В. Алексеев, В. А. Зайцев. - Москва : Техносфера, 2014. - 288 с.
23. Официальный сайт РосАтомФлота. - URL: http://www.rosatomflot.ru
24. Calorimetry of the palladium-deuterium-heavy water system / M. Fleischmann, S. Pons, M. W. Anderson, J. Li, M. Hawkins // Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. - 1990. - Vol. 287, iss. 2. - P. 293-348.
25. Цветков, С. А. Холодный ядерный синтез: мы сразу пошли своим путем / С. А. Цветков. -URL: https://regnum.ru
26. Шостаковский, П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники / П. Шостаковский // Силовая электроника. Компоненты технологии. - 2009. - № 12. - С. 40-46.
27. Шостаковский, П. Альтернативные источники электрической энергии промышленного применения на основе термоэлектрических генераторов / П. Шостаковский / / Oontrol engineering. -2013. - № 3 (45). - С. 52-56.
28. Экипировка для «солдата будущего»: от «Ратника» до «Сотника». - URL: https://rostec.ru
Тычков Александр Юрьевич, доктор технических наук, заместитель директора научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований, доцент, кафедра радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет. E-mail: tychkov-a@mail.ru
Исаев Сергей Дмитриевич, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: retch@hnzgu.ru
Иванов Никита Сергеевич, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: retch@hnzgu.ru
Кирин Максим Владимирович, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: retch@hnzgu.ru
Матанов Ярослав Вадимович, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: retch@hnzgu.ru
Образец цитирования:
Альтернативная энергетика на объектах военного назначения: литературный обзор / А. Ю. Тычков,
C. Д. Исаев, Н. С. Иванов, М. В. Кирин, Я. В. Матанов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2020. - № 4 (32). - С. 101-106.
