CC BY
21
УДК 697.7:621.311
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ И ИХ РОЛЬ В АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
М.Н. Кокоев
TECHNICAL INNOVATION AND ITS ROLE IN ALTERNATIVE ENERGY SOURCES
M.N. Kokoev
Аннотация. Не известно оправдаются ли мрачные прогнозы климатологов и экологов в связи с потеплением климата. Но многие технологически развитые страны взяли курс на беспроигрышный "зеленый" переход в энергетике. То есть встали на путь всемерного и ускоренного развития возобновляемых источников энергии. На двух частных примерах показано, как прорывные технические идеи могут облегчить реализацию проектов, связанных с альтернативной энергетикой и улучшением экологии. Об интересных инженерных идеях читают в научных журналах, у некоторых людей это откладывается в памяти. Потом, при подходящих условиях, что-то дорабатывается и реализуется. Проходит время и лучшие технические идеи в том или ином виде воплощаются во многих странах.
Ключевые слова: энергетика; экология; сейсмостойкая градирня; теплофикационная ветросиловая установка; северный поселок.
Abstract. It is unknown whether the gloomy forecasts of climatologists and environmentalists on climate change will come true. But many technologically advanced countries have embarked on a steady transition to green energy with comprehensive and accelerated development of renewable energy sources. Two specific examples show how breakthrough technical ideas can facilitate the implementation of projects related to alternative energy and environmental improvement. Interesting engineering ideas are read about in scientific journals, some people remember it. Then, under suitable conditions, something of these ideas become reality. Time passes, and the best technical ideas in one form or another are embodied in many countries.
Keywords: energy; ecology; seismic cooling tower; wind power plant; northern settlement.
Введение
Только совсем недавно, по меркам быстротекущей жизни, мы читали в переводном американском журнале «Электроника» о передовых технологиях в проектировании и производстве интегральных схем, в просторечии называемых чипами, как чипы заполонили весь мир. Невозможно в 21 веке представить множество бытовых вещей без простейших чипов. И без сложнейших интегральных схем, управляющих беспилотным автотранспортом лучше и безопаснее, чем живой человек. Оказывается, без электронных чипов останавливается большинство предприятий и некоторым странам из-за отсутствия чипов угрожает стагнация, переходящая в жестокий экономический кризис и риск остаться навсегда на обочине технического прогресса.
Второе, что мы осознали с начала 21 века, что климат явно теплеет. Это видно по таянию многовековых ледников в горах, по жестоким ураганам, по участившимся наводнениям и небывалой жаре во многих странах. О причинах этого не утихают споры климатологов и экологов последние полвека. Не известно оправдаются ли мрачные прогнозы климатологов и специалистов по экологии. Но многие технологически развитые страны взяли курс на беспроигрышный «зеленый» переход в энергетике. То есть твердо встали на путь всемерного и ускоренного развития возобновляемых источников энергии [1,2], который гарантирует независимость национальных экономик от колебаний мировых цен на нефть и газ.
Экологи смотрят отрицательно на строительство ГЭС на равнинных реках. Хотя гидроэлектростанции не выбрасывают диоксид углерода, но занимают под водохранилища тысячи гектаров высокопродуктивных пойменных земель. Водохранилища равнинных рек
имеют большое зеркало испарения, отчего мелеют реки и нарушается судоходство. Особенное возмущение экологов вызывает Рыбинское водохранилище. В середине 20 века протестующих против этого людей, по известным причинам, было мало. В те времена по мощности Рыбинская ГЭС (346 МВт) занимала второе место в стране после Днепрогэса. Ради Рыбинской ГЭС затоплено в 1941-1947 годах почти 500 тысяч гектаров плодороднейшей земли волжской поймы. Это в два раза больше всей пахотной земли Кабардино-Балкарской республики. Под воду ушло 365 тысяч гектаров леса. Более 130 тысяч человек пришлось переселить в другие места, а исторический город Молога, который упоминается с 12 века, вместе с 663 деревнями исчезли под водой.
Плотины ГЭС мешают нересту рыбы. Например, на плотине Волжской ГЭС рыбопропускные сооружения со шлюзами не работают десятки лет. Это непреодолимое препятствие на входе рыбы на нерест в Волгу (!) из Каспия. В Норвегии, например, рядом с плотиной ГЭС делается искусственное русло, где вода течёт по небольшому уклону. Скорость течения воды в русле рассчитана, чтобы рыба могла пройти вверх на нерест. В США уже ликвидировали более 500 плотин на больших и малых реках ради оздоровления рек. Строительство ГЭС на горных реках вызывает меньше возражений экологов, хоть и с оговорками. Причина проста - на единицу площади водохранилища в горах приходится большая потенциальная энергия воды за счет высоты плотин, которая в несколько раз выше, чем на равнинных реках.
Есть большие претензии со стороны экологов к АЭС. Сейчас в 32 странах мира работают 440 ядерных энергоблоков. По поводу работы АЭС известно выражение, которое приписывают академику П.Л. Капице: "АЭС - это атомная бомба, временно вырабатывающая электричество". Истинная цитата П.Л. Капицы звучит так: «[Работа АЭС] основывается на получении цепной реакции в уране, происходящей при распаде его ядер с выделением нейтронов. Это тот же процесс, который происходит в атомной бомбе, но замедленный до стационарного состояния» [3]. Катастрофа на Чернобыльской АЭС и авария на АЭС в Фукусиме говорят о том, что нобелевский лауреат по большому счету был прав. Хотя в обеих авариях атомный взрыв, к счастью, не произошел, но последствия катастроф были ужасными.
В результате аварии на Чернобыльской АЭС (1986) было заражено радиоактивными изотопами йода, цезия и стронция порядка 200 тысяч кв. километров (это по площади две Португалии). Радиоактивный след аварии протянулся на тысячи километров и достиг Швеции. В течение первых трёх месяцев после аварии умерло 39 человек, а еще 11 человек до 2004 года. Высокие дозы облучения людей, в основном из числа аварийных работников и ликвидаторов, могут служить причиной четырёх тысяч смертей от отдалённых последствий облучения.
Авария в Японии на АЭС в Фукусиме (2011) произошла в результате сильнейшего в истории Японии землетрясения магнитудой 9 баллов и последовавшего за ним цунами. В окружающую среду попали радиоактивные йод и цезий и другие радионуклиды, объём которых составил 1/5 часть от выбросов при Чернобыльской аварии. На восстановление территории бывшей АЭС до безопасного уровня, по оценке МАГАТЭ, понадобится 40 лет и свыше 150 млрд. долларов. Приведенные случаи служат примером, как за ошибки при проектировании энергетических объектов в прошлом приходится расплачиваться жизнями, здоровьем и благосостоянием людей. Однако пройдут десятки лет пока альтернативная энергетика сможет заменить все ГЭС, ТЭЦ и АЭС.
Ниже, на двух примерах показано, как прорывные технические идеи могут облегчить путь к реализации проектов, связанных с частными задачами альтернативной энергетики и улучшением экологии.
Легкая сейсмостойкая градирня для тепловых и атомных электростанций
В наше время трудно представить тепловую электростанцию или АЭС без градирен. Сейчас тепло мощных электростанций не сбрасывают в реки и озера. В градирнях охлаждается оборотная вода, которая в свою очередь забирает тепло конденсации пара, отработавшего в турбинах. Чем ниже температура оборотной воды, тем ниже давление пара в конденсаторах, тем выше термический КПД электростанции. Испарительные или так называемые «мокрые» градирни весьма эффективно охлаждают воду [4]. Этому способствует большая поверхность распыляемой воды в виде капель или тонких пленок в потоке охлаждающего воздуха.
К испарительным градирням давно есть большие претензии экологов. Особенно к градирням, сооружаемым в районах с холодным и сырым климатом. Как, например, в Ленинградской области, где в Сосновом Бору недалеко от Санкт-Петербурга (в 70 км от исторического центра СПб) на берегу Финского залива строится ЛАЭС-2 и где в 2021 году сдан энергоблок N2 мощностью 1150 МВт [5]. Всего намечается построить 4 энергоблока (N1 сдан в 2018 году). В осенне-зимний период, в зависимости от розы ветров и метеоусловий, испарительные градирни ЛАЭС-2 повышают и без того высокую относительную влажность, что способствует простудным заболеваниям, а в некоторых случаях и легионеллёзом, как это произошло в США и Германии [6, 7]. Высокая влажность в сочетании с температурами ниже нуля способствует образованию гололёда в радиусе нескольких сотен метров и даже километров от электростанций с «мокрыми» градирнями.
Кроме того в "мокрых" градирнях теряется много воды. Потери воды в градирне на испарение и унос ветром составляют 1,5...2,5 % от объема охлаждаемой оборотной воды. Примем средние летние потери воды на испарение и унос ветром в градирнях 2 %. При охлаждении оборотной воды 100 тыс. м3/ч потери воды составят 48 тысяч м3 в сутки. По средним российским нормам эти потери примерно равны водоснабжению города с населением 200 тыс. человек. Потери воды с каждым годом всё более нетерпимы вследствие нарастающего дефицита пресной воды во многих странах [8].
Экологические недостатки испарительных градирен и растущая конкуренция на рынке энергетических объектов заставляют искать новые решения. Уже давно существуют так называемые "сухие" градирни. Обычно сухая градирня представляет собой корпус с размещенными внутри теплообменниками, по которым циркулирует охлаждаемая оборотная вода. В качестве теплообменников применяют ребристые радиаторы с естественной тягой или с принудительной тягой вентиляторами.
В наиболее известных "сухих" градирнях системы венгерских инженеров Геллера-Форго отходящий пар турбины охлаждается в поверхностном конденсаторе, в котором пар интенсивно конденсируется при непосредственном контакте с поверхностью охлаждающей воды. Основной недостаток сухих градирен - большая материалоемкость металлических трубчатых оребрённых теплообменников. Причем для изготовления теплообменников идет цветной металл или нержавеющая сталь. Это и определяет высокую стоимость сухих градирен.
"Cухие" градирни позволяют отказаться от рек и озёр для сброса тепла. Их применение исключает выбросы электростанциями в атмосферу паров воды, что решает и проблему "локального" парникового эффекта. Отсутствие контакта охлаждаемой воды с атмосферным воздухом исключает её загрязнение пылью и микроорганизмами, что повышает надежность работы системы и уменьшает коррозию. На некоторых электростанциях в России уже работают оборотные системы водоснабжения с использованием "сухих" градирен. В России применяют сухие градирни пока на небольших электростанциях мощностью от 48 до 180 МВт. Например, на заполярной Билибинской АТЭЦ, Сахалинской ГРЭС-2, в Новом Уренгое и др. Противники сухих градирен ссылаются на их дороговизну. Согласно расчетам "Атомпроекта", сухие градирни в 3,5 раза дороже "мокрых" [9]. Однако этот фактор не так существенен, поскольку стоимость градирен составляет лишь несколько процентов от полной стоимости электростанций. Кроме того, "сухие" градирни гораздо дешевле в
эксплуатации, у них намного длиннее межремонтный период. Для компенсации более дорогих, но экологичных "сухих" градирен, надо искать пути снижения стоимости строительства башенных испарительных и "сухих" градирен. Тем более, в каких-то благоприятных случаях испарительные градирни еще долго будут строиться.
Башня градирни - самая трудоемкая и дорогая часть градирни. Башня служит для создания естественной тяги воздуха. Часто высокая башня сооружается над "сухой" градирней. Конструкция градирни с башней создает естественную тягу и снижает расход электроэнергии на охлаждение оборотной воды. Часто в башенных градирнях, особенно в жарких странах, применяют комбинированные системы для получения тяги - часть воздушного потока получают работой вентиляторов.
Есть ряд публикаций, в которых предлагается новый подход к строительству башенных градирен [10-12]. Новый подход обещает снижение во много раз трудо- и материалоемкости по сравнению с железобетонной башней, а отсюда сокращение сроков строительства и уменьшение стоимости. И что особенно важно для многих стран - кардинальное повышение сейсмостойкости градирен. Основой для разработки таких градирен стало появление высокопрочных технических тканей, лент и канатов с полимерными покрытиями, устойчивых к климатическим воздействиям.
Новые материалы открывают возможность создания легких градирен на основе воздухонесомых пневматических конструкций. Для некоторых климатических условий хороши и воздухоопорные конструкции. Как оказалось, для выполнения основной функции башне градирни совсем необязательно быть жесткой. Для пневматической конструкции башни допустима упругая деформация, которая может быть на много порядков больше, чем для железобетонной или сборной башни на стальном каркасе, облицованном бетонными плитами или щитами из других материалов.
Ниже краткое описание варианта новой градирни среднего размера общей высотой 100 м. Основной элемент составной конструкции - пневматическая вертикальная конусная балка. От нулевого уровня до отметки 20 м занимает силовой каркас со встроенной системой сухого охлаждения Геллера-Форго. От отметки 20 м до 100 м сборная башня с наружными диаметрами - внизу 62 м, вверху 28 м. Вверху башни замыкающее кольцо с отверстием диаметром 22 м в свету. Башня имеет форму немного выпуклого усеченного конуса. Она собрана из 36 вертикальных пневматических балок длиной чуть более 80 м. Диаметр пневматических балок 7 м - внизу, 3 м - вверху.
Балки нижней частью крепятся к кольцевому силовому каркасу градирни. Горизонтальные ленточные бандажи с внешней стороны скрепляют (стягивают) балки и заставляют их работать под ветровой нагрузкой как одно целое. Стянутая ленточными бандажами в сборе, каждая балка в поперечном сечении принимают форму трапеции с выпуклыми двумя сторонами и скругленными углами. Каждая балка в таком виде работает как замковый камень в арке. Небольшие вихревые насосы, датчики давления и простая автоматика компенсируют колебания давления воздуха из-за изменения температуры, а также возможные утечки из пневматических балок. Объем каждой балки около 1500 м3. Вихревые насосы и автоматика градирни подключены к трижды резервированной системе электроснабжения, как и другие элементы, отвечающие за живучесть электростанции.
Пневматические балки сварены из прочной комбинированной технической ткани. Основа ткани стеклоткань с покрытием из поливинилхлорида или политетрафторэтилена. Чтобы балки могли нести расчетную ветровую нагрузку при скорости ветра 36 м/с (130 км/ч), в них давление воздуха должно быть 190 кПа (1,9 бар). При скорости ветра больше указанной рабочее давление воздуха в балках должно быть выше. Как показывают расчеты, для данных пневматических балок при расчетных давлениях воздуха, прочности ткани недостаточно. Для усиления балок должны применяться сетки из высокопрочных полимерных шнуров с климатостойким покрытием.
Периодическим изменением давления воздуха в пневматических балках разрушают
возможные наледи на оболочке. Отметим простоту перевозки в свернутом виде пневматических балок и сборки из них башен, а также их высокую сейсмическую устойчивость. Пневматические балки не разрушают колебания температуры, ни лёд, ни вода и агрессивные газы. Особо надо подчеркнуть высокую ремонтопригодность башен, собранных из пневматических балок. Замену пневматических балок всей башни можно выполнить за несколько дней.
Расчет вышеприведенной башни, собранной из пневматических балок, дает массу сооружения примерно 70 тонн (без массы нижнего силового каркаса со встроенной системой сухого охлаждения Геллера-Форго). Башня из железобетона в тех же размерах имеет массу примерно 7000 тонн, то есть в сто раз больше.
Теплофикационная ветросиловая установка
Значительная часть поселков городского типа (ПГТ) и малых поселений находится на севере Европейской России, в Сибири и на Дальнем Востоке. Они часто удалены от железных дорог и автомагистралей на сотни километров. Поселковые котельные работают на привозном угле или мазуте. Иногда случаются длинные суровые зимы и тогда запаса топлива не хватает на весь отопительный сезон.
Особенность многих северных поселений в том, что они расположены в районах, где велик потенциал ветровой энергии. Здесь среднегодовая скорость ветра превышает 5-6 м/с, что очень хорошо. В соответствии с мировыми стандартами мощность ВЭС берется за номинал при скорости ветра 11,4 м/сек [13,14]. Практика показывает, что ветряные турбины работают в северных регионах около 60% времени года.
Исходя из этого, можно поставить вопрос - нельзя ли разработать простые теплофикационные ветросиловые установки с низкой капиталоемкостью и единичной тепловой мощностью 300-500 кВт, чтобы они могли работать в удаленных ПГТ в паре с существующими котельными? В зависимости от размеров поселков, розы ветров и рельефа местности, таких станций может быть несколько в одном ПГТ. Это позволило бы повысить надежность теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) населенных пунктов на севере страны с одновременным и значительным снижением затрат на приобретение топлива. И снизить нагрузку на легкоранимую северную природу от сжигаемого угля или мазута, так как указанные топлива обычно содержат серу в повышенных количествах. Обязательное требование к таким теплофикационным ветросиловым установкам, чтобы они состояли из модулей, перевозка которых возможна обычным автотранспортом.
Применить канадский или европейский опыт по использованию электроэнергии, производимой ВЭС, для электрического отопления и ГВС в ближайшие годы в нашей стране, к сожалению, нельзя. Причина в том, что электрическая энергия со стандартными частотой и напряжением, производимая ВЭС, стоит дорого для того, чтобы использовать этот универсальный вид энергии для сравнительно простой функции - греть воду в котлах для отопления и горячего водоснабжения.
Дело в том, что цена электроэнергии ВЭС с горизонтальной осью вращения получается большой потому, что для её выработки используют довольно сложную технику, которая стоит дорого. Лидеры ветроэнергетики - некоторые западноевропейские страны, США и КНР производят уже 15-20 лет ВЭС большой мощности. Например, в 2019 году General Electric поставила на испытание крупнейший в мире морской ветрогенератор мощностью 12 МВт со 107-метровыми (!) лопастями, ротор которого имеет диаметр около 220 м. Производя мощные ВЭС, абсолютное большинство фирм ориентированы на выработку электроэнергии со стандартными напряжением и частотой тока. Сложна технология производства длинных пустотелых лопастей с переменным профилем поперечного сечения. Лопасти имеют не только переменный профиль, у них еще и угол атаки разный по длине лопасти. В гондоле ВЭС с горизонтальной осью вращения размещены планетарный редуктор, электрогенератор, системы охлаждения масла и агрегатов, а также
автоматика и гидропривод для поворота всей гондолы с ротором на ветер и синхронного поворота лопастей на заданный угол атаки в зависимости от скорости ветра. Кроме того, в основании мачты размещены шкафы с оборудованием для регулирования напряжения и частоты для выдачи электроэнергии в сеть. Таким образом, сложное электротехническое оборудование, предназначенное для работы с сетями со стандартными частотой и напряжением значительно удорожает ВЭС.
А какое положение с ветроэнергетикой в России? Фактически российская ветроэнергетика стартовала только в 2016 году, с тех пор как за развитие этой области энергетики взялась Госкорпорация «Росатом» [15]. В новой экономической ситуации, которая сложилась в 2022 году, неизвестно как России удастся производить надежные гидравлические приводы лопастей ротора, мощные планетарные редукторы, генераторы и сильноточную электронику для ВЭС мегаваттной мощности.
Вторая причина экономической нецелесообразности использования электроэнергии традиционной ВЭС с горизонтальной осью вращения для отопления заключается в том, что получение тепла происходит путем многоступенчатого преобразования энергии ветра сначала во вращательное движение ветряной турбины, мультипликатора и генератора. Далее следует регулирование параметров электрического напряжения и частоты и только потом электрическую энергию превращают в тепло. Каждый этап преобразования сопровождается бесполезной диссипацией энергии в окружающее пространство.
Анализ показывает, что себестоимость единицы тепла, выработанного ВЭС для отопления и ГВС можно значительно снизить, если применить вертикально-осевую турбину с новой строительной схемой, отказаться от непременной выработки кондиционированной электроэнергии, а также снизить стоимость ВЭС путем рационального упрощения конструкции.
Известно, что конструктивно и технологически к более простым относятся ветротурбины с вертикальной осью вращения (международная аббревиатура VAWT). Это известные турбины Савониуса и Дарье и их многие модификации. У этих турбин есть явный недостаток. Турбина с вертикальным валом находится обычно ближе к поверхности земли, где скорость ветра ниже, чем на высоте [16]. Этот недостаток особенно виден, когда речь идет о непостоянстве скорости ветра и низкой плотности энергии в воздушном потоке кроме случаев, когда скорость ветра превышает 7-8 м/с. Это видно из приводимой формулы для определения мощности Р ветросиловой установки практически любого типа:
Р = ( р^2У3С ) / 8,
где Р - мощность ветроколеса (Вт), р - плотность воздуха (кг/м3), V - скорость ветра (м/с), Б -диаметр ветроколеса (м), £ - коэффициент использования энергии ветра. Как следует из формулы, отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра. Другой недостаток турбин с вертикальной осью вращения в том, что для запуска двухлопастных турбин им необходимо сообщать начальное вращение. Трехлопастные вертикальные турбины при достаточном ветре запускаются в работу сами, но они на 1/3 тихоходнее, чем двухлопастные турбины.
Однако ВЭС с вертикальной осью вращения обладают тем преимуществом, что они не требуют для своей работы механизмов для ориентации на ветер. Отсутствие дорогих механизмов ориентации на ветер сильно снижает стоимость ВЭС и повышает ее надежность. Они не подвержены опасному разгону при штормовом ветре. Такие ВЭС могут иметь прямые лопасти с одинаковым профилем по всей длине, что удешевляет их изготовление. В целом, турбины с вертикальным ротором механически более устойчивы в северных условиях, особенно с подвешенным главным валом между трех мачт, что предлагается в новой конструкции. Кроме того, в этих турбинах мультипликатор и генератор расположены внизу. Поэтому их удобно монтировать и обслуживать. Что особенно важно для экологии,
турбины с вертикальной осью вращения обладают меньшей шумностью и менее опасны для птиц. У традиционных ВЭС с горизонтальной осью вращения мачта испытывает большой изгибающий момент, так как сила аэродинамического сопротивления ротора воздушному потоку приложена к вершине мачты. Масса оборудования - ротор, мультипликатор и генератор у таких станций превышает 200 тонн, находится на вершине мачты, что очень плохо для устойчивости станции.
Для ветросиловых установок с вертикальной осью вращения ротора обычно применяют схему, когда вертикальный полый вал большого диаметра опирается на нижний подшипник, а верхний конец вала закреплен в подшипниковом узле, который фиксируется расчалками. Недостаток такой схемы в том, что вал одновременно работает на продольное сжатие, поперечный изгиб и кручение.
Рисунок - Ветросиловая установка с вертикальной осью вращения (третья опора условно не показана)
Когда нет ограничений по занимаемой станцией площади, как это имеет место на большей части территории северной России, для ВЭС с вертикальной осью вращения предложен более устойчивый при штормовом ветре и экономичный вариант [17, 18]. Вверху рисунка показан общий вид теплофикационной ВЭС - вал с ротором подвешен с помощью трех канатов и трех мачт, расположенных симметрично вокруг ротора (условно третья мачта не показана). Внизу рисунка видно, что вся трансмиссия ВЭС состоит из агрегатов, взятых
из автомобильной промышленности. Конечно, автомобили по трансмиссии должны соответствовать мощности ВЭС.
Верхний конец трубчатого вала турбины подвешивают на вертлюге с подшипником в точке схождения трех почти горизонтальных канатов. Нагрузка от ротора на каждую мачту компенсируется расчалками, перекинутыми через вершины мачт, концы которых закреплены анкерами на уровне земли. Это уменьшает поперечные колебания ротора, упрощает всю конструкцию и повышает устойчивость станции против штормового ветра и сильных снегопадов. Для повышения устойчивости у каждой мачты расчалки могут быть раздвоены. Вал с ротором имеет некоторую свободу колебаний, поэтому трансмиссия содержит заимствованный стандартный карданный вал.
Учитывая, что для работы резистивных электронагревательных элементов, работающих в котельной, не важна частота и напряжение тока, в такой ВЭС можно использовать простой и недорогой генератор, а единственное требование к величине напряжения, чтобы оно не превышало заданного предела. Такие теплофикационные ВЭС могут применяться не только для работы параллельно с котельными в отдаленных поселках, но и для совместного с существующими источниками тепла, потребляющих газ, мазут или уголь, снабжения теплом промышленных теплиц [19] и в производстве таких пожаробезопасных и экологичных теплоизоляционных материалов, как пеностекло и керамзит [20]. В себестоимости этих энергоемких строительных материалов затраты на энергоресурсы достигают 40-60 %.
В тех случаях, когда энергия ветра избыточна, теплофикационная ВЭС может накапливать тепло в тепловом аккумуляторе. Например, в КНР много лет успешно применяет и экспортирует свои солнечные коллекторы вместе с тепловыми аккумуляторами во многие страны мира. Так что целесообразность применения тепловых аккумуляторов в системах теплоснабжения и ГВС подтверждает рынок.
Для изоляции теплового аккумулятора можно использовать самые эффективные теплоизоляционные материалы. Например, строительную вакуумно-порошковую теплоизоляцию. Её особые свойства обеспечиваются тем, что теплопроводность дисперсных материалов (тонких порошков или волокон), помещенных в вакуум, оказывается во много раз ниже, чем тех же порошков и волокон при нормальном атмосферном давлении воздуха.
На основе физических принципов криогенной вакуумной теплоизоляции, в 1997 г. в КБГУ нами была предложена легкая вакуумно-порошковая теплоизоляционная панель для строительных целей [21,22]. Новизна технической идеи была в том, что многослойной оболочке строительной вакуумно-порошковой теплоизоляции «разрешили» быть мягкой, то есть легкодеформируемой. Это решение основано на том факте, что дисперсный материал в вакууме в сжатом состоянии сохраняет основное свое свойство - низкую теплопроводность. Она в 8-10 раз ниже, чем у лучшего традиционного теплоизоляционного материала. В вакуумно-порошковой панели давление атмосферы через мягкую оболочку передается на дисперсный наполнитель изделия. Панель сохраняет свою форму благодаря трению между частицами сжатого внешним давлением порошка. Сейчас легкая и эффективная вакуумно-порошковая теплоизоляция применяется в зарубежных странах в зданиях, в промышленных холодильниках, вагонах-рефрижераторах и автофургонах, легковых автомобилях, поездах, самолетах и др.
Заключение
1. Россия и большинство технологически развитых стран встали на путь ускоренного развития возобновляемых источников энергии. На двух частных примерах показано как прорывные технические идеи могут облегчить реализацию проектов, связанных с альтернативной энергетикой и улучшением экологии.
2. Предложена концепция легкой сейсмостойкой градирни для тепловых и атомных электростанций. Потери воды на испарение и унос ветром в "мокрых" градирнях с тепловой
мощностью 2000 МВт равны потреблению воды города с населением 200 тысяч человек. Обычные градирни строятся с башнями из сборного или монолитного железобетона либо на каркасе. Предложено строить легкие сейсмостойкие башни градирен из пневматических конусных балок. Пневматические балки сварены из прочной технической ткани с климатостойким покрытием. Сделан расчет башни высотой 80 м при общей высоте градирни 100 м. Масса башни, собранной из пневматических балок, равна примерно 70 тонн. Традиционная башня из железобетона в тех же размерах имеет массу около 7000 тонн.
3. Предложена новая строительная схема теплофикационной ВЭС с вертикальной осью вращения ротора для северных условий. Себестоимость единицы тепла, выработанного станцией для отопления можно значительно снизить, если отказаться от выработки кондиционированной электроэнергии, а также значительно уменьшить стоимость ВЭС путем рационального подхода к конструкции ВЭС и широкого применения серийных узлов от грузовых автомобилей тяжелого класса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wind energy in Europe in 2019. Trends and statistics. 2020. [Electronic resource]. URL: https://windeurope.org/wp-content/uploads/files/about-ind/statistics/WindEurope-Annual-Statistics-2019.pdf (дата обращения: 15.06.2022)
2. Chinese Government Confirms 24.4 Gigawatts Worth Of New Solar In H1'17 [Electronic resource]. URL: https://cleantechnica.com/2017/08/08/china-government-confirms-24-4-gw-worth-new-solar-1h17/ (дата обращения 15.06.2022)
3. Капица П.Л. Эксперимент, теория, практика. М.: Наука, 1981. 495 с.
4. Елизаров Д.П. Теплоэнергетические установки электростанций. Москва: Энергоиздат, 1982. 264 с.
5. О том какие риски несет ввод ЛАЭС-2 [Электронный ресурс]. http://activatica.org/blogs/view/id/1667/title/o-tom-kakie-riski-neset-vvod-lajes-2-rasskazali-jekologi (дата обращения 08.02.2021).
6. Mathys W, Stanke J, Harmuth M, Junge-Mathys E. Occurrence of Legionella in hot water systems of single-family residences in suburbs of two German cities with special reference to solar and district heating // International journal of hygiene and environmental health. BRD, 2008. Vol. 211, no. 1-2. P. 179-185.
7. Cunha, B.A, Burillo A., Bouza E. 23 January 2016. Legionnaires' disease // Lancet. 387 (10016): 376-85.
8. Данилов-Данилян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. Москва: Прогресс-Традиция. 2000. 414 с.
9. Болдырев В.М., Клейменов П.Г. Значимость «сухих» градирен для АЭС и других тепловых электростанций // Промышленные ведомости. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: https://www.promved.ru/articles/article.phtml?id=2843&nomer=95 (дата обращения 22.11.2022).
10. Кокоев М.Н. Технические ткани в строительстве // Строительные материалы. 1998. № 1. С. 24-26.
11. Федоров В.Т., Кокоев М.Н. Градирня из технической ткани (градирня воздухоопорной конструкции для тепловой электростанции) // Энергия: техника, экономика, экология. 1998. № 6. С. 56-59.
12. Федоров В.Т., Кокоев М.Н. Новые материалы для строительства градирен электростанций // Вестник отделения строительных наук РААСН, 2012, Вып. 16, Т. 2. С. 158164.
13. Bernd Neddermann. WindEnergie - 2000. Hrsg.: Bundesverband WindEnergie e.V., Osnabrueck, Germany, 182 s.
14. Erich Hau. Windkraftanlagen. Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. 2008. 910 Seiten.
15. Госкорпорация «Росатом» вышла на рынок ветроэнергетики в 2016 году [Электронный ресурс]. URL: https://rosatom.ru/production/vetroenergetika/ (дата обращения: 10.02. 2022).
16. Buchner A-J., Soria J., Honnery D., Smits A.J. Dynamic stall in vertical axis wind turbines: Scaling and topological considerations // Journal of Fluid Mechanics. 2018. Vol. 841, pp. 746-66.
17. Кокоев М.Н. Теплофикационная ветросиловая установка // Энергия: экономика, техника, экология. 2007. № 3. С.18-22.
18. Патент РФ 2454564. Ветросиловая установка с ротором Дарье / Федоров В.Т., Бевов Р.К. 2010.
19. Федоров В.Т., Кокоев М.Н. Теплофикация промышленных теплиц с помощью вертикально-осевых ветроустановок // Вестник отделения строительных наук РААСН. 2014. Вып. 18. С.169-172.
20. Кокоев М.Н., Федоров В.Т., Хаджишалапов Г.Н. Ветроэнергетика в производстве пеностекла и керамзита // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2019. № 46(1). С. 187-194.
21. Патент РФ N 2144595. Вакуумное теплоизоляционное изделие. Кокоев М.Н., Федоров ВТ. 1997.
22. Кокоев М.Н., Федоров В.Т. Теплоизоляционное изделие с предельно низкой материалоемкостью // Строительные материалы. 1998. № 9. С. 10-12.
REFERENCES
1. Wind energy in Europe in 2019. Trends and statistics. 2020. [Electronic resource]. URL: https://windeurope.org/wp-content/uploads/files/about-ind/statistics/WindEurope-Annual-Statistics-2019.pdf (accessed 15.06.2022).
2. Chinese Government Confirms 24.4 Gigawatts Worth Of New Solar In H1'17 [Electronic resource]. URL: https://cleantechnica.com/2017/08/08/china-government-confirms-24-4-gw-worth-new-solar-1h17/ (accessed 15.06.2022).
3. Kapica P.L. Eksperiment, teoriya, praktika [Experiment, theory, practice]. Moscow: Nauka, 1981. 495 p.
4. Elizarov D.P. Teploenergeticheskie ustanovki elektrostancij [Thermal Heating Systems of Power Plants]. Moscow: Energoizdat. 1982. 264 p.
5. O tom kakie riski neset vvodLAES-2 [About what risks the commissioning of LNPP-2 bears]. [Electronic resource]. URL: http://activatica.org/blogs/view/id/1667/title/o-tom-kakie-riski-neset-vvod-lajes-2-rasskazali-jekologi (Accessed 10.02.2022).
6. Mathys W, Stanke J, Harmuth M, Junge-Mathys E. Occurrence of Legionella in hot water systems of single-family residences in suburbs of two German cities with special reference to solar and district heating. International journal of hygiene and environmental health. BRD, 2008. Vol. 211, no. 1-2, pp. 179-185.
7. Cunha, B.A, Burillo A., Bouza E. 23 January 2016. "Legionnaires' disease". Lancet. 387 (10016): 376-85.
8. Danilov-Danilyan V.I., Losev K.S. Ekologicheskij vyzov i ustojchivoe razvitie [Environmental challenge and sustainable development]. Moscow: Progress-Tradiciya. 2000. 414 p.
9. Boldyrev V.M., Klejmenov P.G. Znachimost' «suhih» gradiren dlya AES i drugih te-plovyh elektrostancij [The importance of "dry" cooling towers for nuclear power plants and other thermal power plants]. Promyshlennye Vedomosti. 2015. No. 3 [Electronic resource]. URL: https://www.promved.ru/articles/article.phtml?id=2843&nomer=95 (дата обращения 22.11.2021).
10. Kokoev M.N. Tekhnicheskie tkani v stroitel'stve [Industrial Textiles in Construction]. Stroitel'nye materialy. 1998. No. 1, pp. 24-26.
11. Fedorov V.T., Kokoev M.N. Gradirnya iz tekhnicheskoj tkani (gradirnya vozduhoopornoj konstrukcii dlya teplovoj elektrostancii) [Cooling tower made of technical fabric (air-supported cooling tower for a thermal power plant)]. Energiya: tekhnika, ekonomika, ekologiya. 1998. No. 6, pp. 56-59..
12. Fedorov V.T., Kokoev M.N. Novye materialy dlya stroitel'stva gradiren elektro-stancij [New Materials for the Construction of Cooling Towers of Power Plants]. Vestnik otdeleniya stroitel'nyh naukRAASN. 2012. Iss. 16, Vol. 2, pp. 158-164.
13. Bernd Neddermann. WindEnergie - 2000. Hrsg.: Bundesverband WindEnergie e.V., Osnabrueck, Germany, 182 s.
14. Erich Hau. Windkraftanlagen. Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. 2008. 910 Seiten.
15. Goskorporaciya «Rosatom» vyshla na rynok vetroenergetiki v 2016 godu [Rosatom State Corporation entered the wind energy market in 2016]. [Electronic resource]. URL: https://rosatom.ru/production/vetroenergetika/ (Accessed 10 February 2022).
16. Buchner A-J., Soria J., Honnery D., Smits A.J. Dynamic stall in vertical axis wind turbines: Scaling and topological considerations. Journal of Fluid Mechanics. 2018. Vol. 841, pp. 746-766.
17. Kokoyev M.N. Teplofikatsionnaya vetrosilovaya ustanovka [Heat-generating wind power installation]. Energiya: ekonomika, tekhnika, ekologiya. 2007. No. 3, pp.18-22.
18. Patent RF 2454564. Vetrosilovaya ustanovka s rotorom Dar'ye [Patent of the Russian Federation 2454564. Wind power installation with Darya rotor]. Fedorov V.T., Bevov R.K. 2010.
19. Fedorov V.T., Kokoyev M.N. Teplofikatsiyapromyshlennykh teplits spomoshch'yu vertikal'no-osevykh vetroustanovok [Heating of industrial greenhouses using vertical-axis wind turbines]. Vestnik otdeleniya stroitel'nykh nauk RAASN. 2014. Vol. 18, pp.169-172.
20. Kokoyev M.N., Fedorov V.T., Khadzhishalapov G.N. Vetroenergetika v proizvodstve penostekla i keramzita [Wind energy in the production of foamglass and expanded clay]. VestnikDagestanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki. 2019. Vol. 46(1), pp. 187-194.
21. Patent RF 2144595. Vakuumnoe teploizolyacionnoe izdelie [RF patent N 2144595. Vacuum thermal insulation product]. Kokoev M.N., Fedorov V.T. 1997.
22. Kokoev M.N., Fedorov V.T. Teploizolyacionnoe izdelie s predel'no nizkoj materialoemkost'yu [Thermal insulation product with extremely low material consumption]. Stroitel'nye materialy. 1998. No. 10, pp. 10-12.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Мухамед Нургалиевич Кокоев Кабардино-Балкарский госуниверситет им. Х.М. Бербекова, г. Нальчик, Россия, проф. кафедры строительного производства, доктор техн. наук, проф., советник РААСН, академик РАЕН и РИА
E-mail: kbagrostroy@yandex.ru
Mohamed Nurgalievich Kokoev Kabardino-Balkar State University named after H.M. Berbekov, Nalchik, Russia, Prof. of the Department of Construction Production Doctor of Sciences, professor, the Advisor RAACS, Academician of the RANS and REA.
E-mail: kbagrostroy@yandex.ru
