К ЮБИЛЕЮ ОИВТ РАН
НЕТРАДИЦИОННЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ - НОВЫЙ СЕКТОР СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ ОИВТ РАН
Настоящая публикация - первая из серии статей доктора технических
наук О.С. ПОПЕЛЯ, в которых представлена краткая информация о состоянии и тенденциях развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мире и в России и описаны основные результаты исследований и разработок ОИВТ РАН в этой области.
В 1975 г. академик В.А. Кириллин, в то время заместитель председателя Совета Министров СССР и председатель Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике, вернувшись из командировки во Францию, где он ознакомился с инициированными "энергетическим кризисом" исследованиями и разработками в области использования солнечной энергии, издал распоряжение ГКНТ, поручающее Институту высоких температур АН СССР выполнить разработку "экспериментального солнечного дома сельского типа", отопление и горячее водоснабжение которого должно осуществляться за счёт солнечной энергии. Директор ИВТАН академик А.Е. Шейндлин поручил эту работу возглавляемому Э.Э. Шпиль-райном Отделу новых энергетических технологий и процессов, в рамках которого была создана научная группа под руководством автора настоящей статьи и сформирована проектная группа в ОКБ ИВТАН, возглавляемая В.И. Мирошниченко. С этого момента ИВТАН оказался вовлечённым в новую для него сферу разработок по возобновля-
© О.С. Попель
емым источникам энергии (ВИЭ), которые за прошедшие годы охватили широкий спектр исследований в области солнечной энергетики, использования энергии ветра, геотермальной энергии, энергии биомассы, низкопотенциального природного и сбросного тепла с помощью теплонасосных установок, комбинированного использования различных источников энергии и энергосбережения.
Следует отметить, что на момент начала этих работ в ИВТАН в Советском Союзе уже существовало несколько научных центров в области возобновляемой энергетики, среди которых лидирующие позиции занимал ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, с участием ведущих специалистов которого (Ю.М. Ма-левский, Б.В. Тарнижевский, И.В. Баум и др.) велись активные исследования в области солнечной энергетики и была создана - одна из первых в мире - экспериментальная солнечная электростанция СЭС-5 мощностью 5 МВт в Крыму. Другим важным и практически значимым направлением исследований ЭНИН было использование геотермальной энергии и разработка геотермальных электростанций и геотермальных систем теплоснабжения для Камчатки и Северного Кавказа. В Физико-техническом институте Узбекской академии наук была разработана и построена уникальная - одна из крупнейших в мире - солнечная печь тепловой мощностью около 1 МВт, на которой исследовались технологические процессы получения новых сверхчистых материалов при температурах до
11
3000 К с помощью высококонцентрированного солнечного излучения. Разрабатывались двигатели Стирлинга с солнечным концентратором, солнечные коллекторы различных типов, велись исследования в области создания тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей энергии. В Туркмении проводились исследования и разработки по использованию солнечной энергии в сельском хозяйстве (сушка, подъём воды из скважин и её опреснение, солнечные абсорбционные холодильные установки и др.). На Украине (КиевЗНИИЭП, Институт технической теплофизики и др.) разрабатывались конструкции солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок, были созданы оригинальные конструкции солнечных абсорбционных тепловых насосов и холодильных машин. Украинскими организациями совместно с ЭНИН им. Г.М. Кржижановского на Украине вблизи Алушты строился уникальный демонстрационный центр, энергоснабжение зданий и сооружений которого (электроснабжение, отопле-^ ние, горячее водоснабжение, кондиционирование) осуществлялось преимущественно за счёт солнечной энергии. В области фотоэлектрического преобразования (главным образом для космических приложений) исследования и разработки велись в ФТИ им. Иоффе АН СССР (В.М. Андреев, В.А. Гри-лихес и др.), в НПО "Квант" (Москва, Краснодар) и ряде других центров. Существовали научные центры по возоб-_ новляемой энергетике в Армении, Гру-р зии, Молдавии, Киргизии и в других со-£ юзных республиках. | Таким образом, несмотря на то что Ц возобновляемые источники энергии « в то время (впрочем, как и сегодня) Ц всерьёз не рассматривались в стране 2 как альтернатива традиционной энер-| гетике, исследования и разработки в § этой области в СССР проводились до-« статочно широким фронтом и в цент-I ральной и республиканских академиях I наук, и в отраслевых научно-инженер-= ных центрах, причём акцент делался в основном на южных республиках. Существовала государственная програм-
12
ма по возобновляемым источникам энергии. Многие отечественные разработки находились на мировом уровне и в ряде случаев превышали его. В этой ситуации ИВТАНу предстояло найти своё место в ряду ведущихся в стране исследований и разработок. И поиск этой ниши начинался с разработки несколько не соответствующего профилю института проекта "солнечного дома сельского типа".
Оглядываясь на 35 лет назад, прошедший период можно разбить на 3 этапа. До середины 80-х гг. имелись достаточно благоприятные условия для активных исследований и разработок в новой для института области. Благодаря вниманию руководства института - и прежде всего А.Е. Шейндлина, Е.М. Шёлкова и Э.Э. Шпильрайна - к новой тематике и энтузиазму молодых сотрудников за относительно короткий срок удалось не только спроектировать оригинальные солнечные дома, но и построить ряд экспериментальных домов в Армении и Дагестане, создать на берегу Каспийского моря в 20 км от г. Махачкалы научный полигон ИВТАН "Солнце", ф совместно с грузинскими специалистами "Спецгелиотепломонтаж" разработать и освоить производство простейших солнечных коллекторов, солнечных водонагревательных установок и солнечных сушилок, которые благодаря предприимчивости Н.В. Меладзе -директора первой в стране специализированной в области ВИЭ организации -стали достаточно широко применяться на санаторно-курортных объектах Грузии и Краснодарского края, а также в личных хозяйствах. На полигоне "Солнце" удалось построить ряд уникальных исследовательских стендов, в том числе солнечную печь мощностью 20 кВт, обеспечивающую рекордные потоки концентрированного солнечного излучения на облучаемые объекты (до 250 Вт/см2 на пятне до 40 см2), а также один из крупнейших в мире имитаторов солнечного излучения, базирующийся на уникальных сверхмощных ксено-новых лампах (50-70 кВт) со сложной системой спектральной коррекции излучения, позволяющей моделировать
f ,— Мировое энергопотребление
f4
Нефть
Газ
О
Уголь
Ветер
Уран
Годовое поступление солнечной энергии
Фотосинтез
Рис. 1.
Соотношение между энергоресурсами.
спектр солнечного излучения от заат-мосферного до "земного" и с помощью специального сферического зеркального отражателя получать однородные потоки излучения до 2.5 кВт/м2 на рабочей поверхности диаметром 2.5 м. В создание этих уникальных стендов определяющий вклад внесли А.Г. Абрамов и В.Н. Щеглов.
Хорошо известно, что последние 15 лет прошлого века стали сложным периодом в жизни нашей страны. Бюджетное финансирование многих перспективных исследований и разработок, в том числе в области возобновляемых источников энергии, фактически прекратилось. Распад СССР привёл к тому, что связи с научными центрами в братских республиках оказались разорванными, исследования и разработки в области возобновляемых источников энергии в отраслевых институтах были практически прекращены. Тем не менее в ИВТАН это направление работ в сложные годы удалось сохранить (в основном благодаря научно-техническому сотрудничеству с западными научными центрами), а в начале нового века, когда интерес к альтернативным источникам энергии в мире и в какой-то мере в России вновь возрос, ОИВТ РАН фактически оказался на лидирующих позициях в стране в данной
области исследований и разработок.
Автором предпринята попытка дать краткий анализ состоянии и тенденций развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мире и в России и описать основные результаты исследований и разработок ОИВТ РАН в этой области.
Особенности и роль
возобновляемых источников энергии в мировой энергетике
Из года в год интерес к возобновляемым источникам энергии в мире неуклонно возрастает, ВИЭ приобрели не только энергетическое и экологическое, но и мировое политическое звучание и в наше время уже вносят заметный вклад в мировой энергетический баланс1. Основные причины интереса к практическому использованию ВИЭ можно сформулировать следующим образом:
- ресурсы ВИЭ (энергия солнца, ветра, биомассы, геотермальная, малых рек, морских волн и приливов, низкопотенциальное природное и сбросное тепло и др.) практически неограниче-ны, во много раз превышают обозримые потребности человечества в энергии и постоянно восполняемы (рис. 1)2;
- использование ВИЭ не приводит к существенному загрязнению окружающей среды и не изменяет тепловой баланс Земли;
- в отличие от нефти, газа, угля и урана ресурсы ВИЭ более или менее равномерно распределены по территории стран и регионов, они не находятся в монопольном владении ограниченного числа стран, и их освоение рассматривается как фактор энергетической и политической безопасности.
1 Фортов В., Попель О. Возобновляемые источники энергии для энергоснабжения потребителей в России // Энергетический вестник. 2010. № 1 (8).
2 National Petrobum Council, 2007 after Craig, Cunninghom and Saigo.
13
Тем не менее продвижение ВИЭ на энергетический рынок пока сдерживается относительно высокой стоимостью получаемых с их помощью энергетических продуктов (электроэнергия, тепло, холод, альтернативные топлива), что связано, прежде всего, с характерными для ВИЭ низкими плотностями энергетических потоков и их нестабильностью и, как следствие, необходимостью значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии. Так, плотность потока солнечной энергии н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.