CC BY
15УДК 620.92(075.8).
Возобновляемая энергетика геосфер: новые идеи и перспективные методы исследований
А.А. Соловьев^000-0002-4376-1120] Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия E-mail: a.soloviev@geogr.msu.ru
Аннотация. 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 (19432020). 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.
Рис. 1. Профессор Московского университета А.А. Соловьев (24.05.1943-27.05.2020) в учебной аудитории МГУ им. М.В. Ломоносова
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 — 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.
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №2(2020)
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.
References
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.
Renewable geosphere energy: new ideas and perspective
research methods
A.A. Solovyev
Faculty of Geography, Moscow State University Lomonosov Moscow, Russia
E-mail: a.soloviev@geogr.msu.ru
Abstract. The article discusses new approaches to scientific research and ideas in the renewable energy of the geospheres, which attract close attention in all countries of the world.
Keywords: energy, geography, renewable energy sources, modeling, resources, technologies
