1 Седьмая Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ: ИДЕИ, ИССЛЕДОВАНИЯ, ТЕХНОЛОГИИ Москва, - презентация

1 1 Седьмая Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ: ИДЕИ, ИССЛЕДОВАНИЯ, ТЕХНОЛОГИИ Москва, МГУ 24 ноября 2010 года Соловьев Александр Алексеевич Лаборатория возобновляемых источников энергии. Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова

2 2 Возобновляемая энергетика - междисциплинарная область знаний ВИЭ –раздел естественных и гуманитарных наук, включающий себя изучение закономерностей формирования, пространственно-временного распределения и методов использования природных запасов, постоянно действующих или периодически возникающих в географической оболочке потоков энергии. ВИЭ формирует новые знания о методах преобразования энергии, создаёт средства производства энергии интегрирует достижения других областей знания, исследует закономерности развития антропогенной энергетики в целом. Отбор эффективных энергетических технологий по критериям экономической эффективности экологической приемлемости с учётом надёжности и управляемости технологий ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ИМПЕРАТИВ Совокупность ограничений в активной деятельности людей нарушение которых приведет к катастрофе. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИМПЕРАТИВ Основой устойчивого развития общества с эффективной системой согласования энергетических потребностей с природными возможностями является использование возобновляемых энергетических ресурсов

3 3 Душевое потребление энергии, произведенной нетрадиционными возобновляемыми источниками Database: "International Energy Annual, 2008"

4 4 Ключевые технологии и направления исследований ВИЭ до 2050 г. (Международное энергетическое агентство) Преобразователи солнечной энергии в электрическую Ветровые электростанции Концентраторы солнечной энергии Парогазовые электростанции Биотопливо третьего поколения Тепловые насосы Транспорт на водородных элементах Солнечнее отопление и нагрев воды Электрический транспорт Аккумуляторы энергии

5 5 Растительная биомасса - первичный источник энергии Биомасса –основной вид возобновляемых энергетических ресурсов в мире 12% (1,2 млрд. т. н. э.), далее следуют гидроэнергия - 6% (0,45 млрд. т. н. э.), солнечная, ветровая и другие возобновляемые энергоресурсы (менее 2%).

6 6 ВОДОРОСЛЕВАЯ ЭНЕРГЕТИКА

7 7 * Изъятие культивируемой биомассы микроводорослей для нужд энергетики не нарушает естественную консервацию органического вещества в биосфере, при этом плантации микроводорослей служат эффективным краткосрочным стоком антропогенного СО 2, конвертируя его в энергию высокой плотности. * Водоросли являются фотоавтотрофами: для их роста и развития нужен солнечный свет, СО 2, вода с небольшим количеством минеральных солей. * Микроводоросли не являются традиционным пищевым сырьем. * Круглогодичное выращивание не только в условиях тропического и субтропического климата, но и в умеренных климатических условиях. *Сокращения стоимости биотоплива из микроводорослей при одновременном получении ценных сопутствующих продуктов Микроводоросли- нетрадиционный вид сырья для получения биотоплива III поколения

8 8 Продуктивность микроводорослей по биомассе и маслу на порядки превышает продуктивность наземных, в том числе масличных растений КУЛЬТУРАУдельное содержание масла (л/га*год) Удельное содержание энергии (МВт-ч/га) Соя Подсолнечник Рапс/канала Касторовые семена Ятрофа Кокосовые орехи Пальмовое масло Китайское сальное дерево Водоросли (50 г/кв. м*сут при содержании триацилглицеридов 50%) Площади выращивания водорослей значительно сокращаются. по сравнению, например, с рапсом в 100 раз. Для выращивания водорослей не требуются пахотные земли, плантации можно размещать на поверхности водоемов или на непригодных для земледелия почвах.

9 9 ТЕХНОЛОГИИ МАССОВОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

10 10 Морфологические варианты клоновой культуры A.platensis 1-Arhtrospira jenneri; 2-Arhtrospira platensis; 3 - Arhtrospira maxima; 4 - Arhtrospira fusiformis; 5 - Arhtrospira skeinformis; 6-Arhtrospira straight

11 11 Лабораторное культивирование Botryococcus braunii.

12 12 Основные результаты исследований МГУ для обеспечения водорослевой индустрии промышленными культурами микроводорослей: *Создан эффективный метод отбора перспективных штаммов водорослей; *Собрана коллекция перспективных штаммов маслосодержащих водорослей; *Выполнены исследования по изучению влияния региональных условий на селекционные штаммы. * Проведен цикл исследований молекулярных и клеточных механизмов формирования липидных гранул; *Изучена взаимосвязь нарушения клеточного деления и аккумуляции липидов.

13 13 Стандартизация в сфере возобновляемых источников энергии в России Лабораторией возобновляемых источников энергии Географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова разработан Государственный стандарт Российской федерации «Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения» ГОСТ Р Стандарт утвержден Федеральным Агентством по техническому регулированию и метрологии приказом 424-ст и вступил в действие на территории Российской Федерации с 1 января 2009 года. ГОСТ Р является первым российским государственным стандартом по биотехнологиям Более 250 сайтов различных производственных, научных, управленческих организаций поместили комментарии, анализ и публикации посвященные принятому в России стандарту по биоэнергетике.

14 14 Атмосфера в регионах с высокой влажностью может служить источником электричества. Бразильский физик Фернандо Галембек из университета Кампинаса, представил в октябре 2010 г. результаты исследования в Бостоне на съезде Американского химического общества. Тесты же с металлами, разделёнными изолятором, показали, что при прохождении над таким конденсатором воздуха, насыщенного водяным паром, устройство заряжается. Механизм накопления электричества тут напоминает тот, что формирует заряды в грозу. Эффект однако чрезвычайно мал- на порядок ниже солнечной батареи такого же размера. Споры о механизме. Одни считают -это трение микроскопических капель воды (трибоэлектрический эффект), другие считают, что детали обмена зарядами между водой и твёрдыми частицами могут оказаться куда более сложными. додецилсульфат натрия на слюде Нетрадиционные способы преобразования возобновляемой энергии

15 15 Взаимодействие водяных частиц с основными (вверху) и кислотными (внизу) оксидами. Нейтральные молекулы воды по-разному реагируют с различными оксидами в зависимости от их кислотно-основных свойств. На поверхности основных оксидов при этом остается положительно заряженная частица, а кислотных – отрицательно заряженная..

16 16 Термоэлектрические устройства Термоэлектрическая эффективность Z, - проводимость, S – термоэдс, T – температура, k – теплопроводность Взаимосвязь термических и электрических характеристик позволяет создать устройства, передающие тепло из холодной области к нагретой или генерирующие электричество из тепловых потоков Конференция Unconventional Thermoelectrics, май 2010 года Страсбург–проф. M. Dresselhaus из Massachusetts Institute of Technology доклад о резком повышении Z при использовании наноструктурированных материалов, например Ag-Pb-Sb- Te, состоящих из зерен нанометровых размеров. Физическая причина в уменьшении k из-за того, что размеры неоднородностей становятся меньше длины свободного пробега фононов, дающих основной вклад в теплопроводность.

17 17 Беспроводное электричество Массачусетский технологический институт Магнитные катушки (жёлтый цвет), окружённые своими полями (красный и синий), передают друг другу энергию на расстоянии D, многократно большем, чем размер самих катушек. Это явление названо резонансной магнитной связью.. Первый опыт по беспроводной передаче энергии методом WiTricity на 60-ваттную лампочку, удалённую на два с лишним метра от источника. КПД– порядка 40%, плюс безопасность. Принципиальная схема WiTricity. Передающая катушка (левая) включена в розетку. Приёмная – соединена с потребителем. Линии магнитного поля первой катушки (голубой цвет) способны огибать относительно небольшие проводящие препятствия), переправляя энергию (жёлтые линии) к приёмному кольцу.. Передающая катушка площадь в 1 кв метр, а приёмные всего по 0,07 м 2. 1– специальная схема переводит обычный переменный ток в высокочастотный, он питает передающую катушку, создающую осциллирующее магнитное поле. 2 – приёмная катушка должна быть настроена на ту же частоту.

18 18 Подводный кайт Кинетической энергии в квадратном метре потока воды, идущем со скоростью 2,5 м/с, столько же, сколько в ветре, "делающем" 260 км/ч. Ветер непостоянен, а приливы регулярны. Проект электростанции Deep Green. В основе системы крыло размахом 12 метров, которое плавает под водой, будучи прикреплённым ко дну длинным тросом. За счёт гидродинамической силы: кайт начинает выписывать в толще моря гигантские восьмёрки, в чём устройству помогает автоматически-управляемый руль. Cкорость движения "змея" по его замкнутой траектории оказывается в 10 раз выше, чем скорость приливного течения, в которое он погружён, 16 метров в секунду против 1,6 м/с. Турбина, может быть намного меньше в диаметре (а именно всего 1 метр), чем стационарная при той же генерируемой мощности.. Ток поступает по кабелю на берег. Районы для генераторов Deep Green Сравнение с другими видами электростанций в море. и морская ветровая турбина. Мощность единичной установки – 0,5, 1-1,2 и 2 мегаватта соответственно; удельный вес – 14, и 200 тонн на мегаватт; средняя скорость потока воды или ветра – 1,6, 2,4-2,5 и 8 м/с; стоимость энергии – 8-18, и центов за киловатт-час. Справа: шкала в метрах

19 19 Солнечный парус Солнечного парус, двигается за счет давления солнечного света с управлением 14-метровым парусом, меняя угол, под которым будет падать солнечный свет. Парус под названием «Икар» (Ikaros) предполагают запустить с помощью ракеты с космодрома Танэгасима в конце 2010 г Парус представляет собой квадрат со сторонами чуть больше 14 метров. Создан он из полиамидной плёнки толщиной всего 7,5 микрометра. В нескольких местах к этой мембране добавлены ультратонкие (25 микрометров) солнечные батареи. Они будут питать различные приборы парусника, в том числе расположенные на парусе же сенсоры счётчики ударов космической пыли. Развёртывание японского паруса будет проходить в два этапа. На первом аппарат отделится от ракеты- носителя, медленно вращаясь вокруг своей оси (5 оборотов в минуту). После того как парусник займёт нужную позицию по отношению к Солнцу, его вращение нарастят до 20 оборотов в минуту. Замки освободят четыре грузика, укреплённые на четырёх концах полотна. Они вытянут в стороны "усы" части сложенного паруса. На втором этапе откроются другие фиксаторы и начнётся расправление полимерной плёнки. В развёрнутый парус начнут ударять солнечные лучи. При изменении угла между лучами и плоскостью плёнки, заставят аппарат двигаться в нужном направлении. Он совместит двигательные возможности космического паруса с его же ролью солнечной батареи. Проблема перекачки данных с межпланетных станций и посадочных аппаратов заключается в сильном ослаблении радиосигнала на расстоянии. Чтобы наземные антенны могли его разобрать, приходится снижать пропускную способность канала вплоть до 1 гигабайта в сутки. Полная карта Европы или Титана с высоким разрешением "весила" бы терабайт. Перекачка её с нынешними технологиями займёт 50 лет. Солнечные парусники, курсирующие между планетами будут переносить информацию в своей памяти. Сблизившись с зондом у Юпитера, такой клипер мог бы по лазерному каналу быстро загрузить порцию данных. Три года ему потребовалось бы на сближение с Землёй. С расстояния в несколько десятков тысяч километров клипер при помощи лазерной связи мог бы за 3-5 часов сгрузить "почту" с темпом 1 гигабайт в секунду. Так вся информация оказалась бы в руках учёных на 47 лет раньше. Один и тот же солнечный парусник по мере обращения вокруг Солнца мог бы корректировать свою траекторию, чтобы посещать разные внешние планеты и обслуживать разные научные миссии.

20 20 Персонализация ВИЭ Мини-ветряк для домашнего пользования Design : Philippe Starck Engineering : PRAMAC Maximum power : 1000 W with wind speed at 14 m/s Cut-in speed : 3 m/s Fan blades : 3 Dimensioni : 1,45 x 1,45 m Weight : 65 kg Revolutionair – название из "революции" и "воздуха". Модели вращаются вокруг вертикальной оси и не зависят от направления ветра. «Генератор с ротором 145 см обладает мощностью 1 киловатт,. Оптимальным условием является довольно сильный ветер: 14 метров в секунду. Стоимость 2500 евро.

21 21 немецкий ветряк WIND CORE Турбина WIND CORE обладает каплевидным центральным телом, поток, ускоряясь направляется к лопастям в кольце. Начальная скорость 3 м/с. При 5 м/с выработка 2000 квт-ч в год; Для V=12,5 м/с мощность 1,2 квт, диаметр ротора 1,5 м. Встроенный микропроцессор регулирует угол атаки, шум : < 35 дБ. Встроен модуль GSM для контроля работы через сотовую сеть. Цена $5000/квт. SWIFT TURBINE Скорости 3-13 м/с Диаметр 2,1 м, вес устройство 86 кг. Шум ~35 дБ, Цена $12000/квт. Выход 2000 квт-ч год. SWIFT TURBINE на крыше центра искусств FrauenthalFrauenthal в в Маскегоне США

22 22 Микро солнечные батареи Слоёный пирог" из полупроводников в малых масштабах работает с. чипом на базе процессора и управлением питания от солнечной батарейки выдающей 4 вольта, процессору нужно 0,5. Вместо преобразователя напряжения управление специальный алгоритм регулирует такты чипа и меняет периоды его активности и сна. А результат среднее энергопотребление составляет менее одного нановатта. На основе автономные датчики Чип 2,5 х 3,5 х 1 мм. помещается процессор, аккумулятор и солнечная батарея. Компания Semprius, разработала технологию микропечати солнечных батарей. Идея, не нова:, применнение в них концентраторы света, Низкий расход сырья с относительно высоким КПД, в концентрированном световом потоке. Но проблема в организации теплоотвода. У панелей меньше миллиметра в поперечнике очень большая доля тепла начинает уходить через боковые грани, в сравнении с плоскими солнечными батареями традиционного размера, так что субмиллиметровые панели нагреваются так же, как обычные солнечные батареи при освещении неконцентрированным солнечным светом. СБ Semprius имеют 3 полупроводниковых слоя на основе арсенида галлия, каждый из которых впитывает свою полосу спектра (что повышает КПД). Изготовление комбинацией химического травления и печати,.. Из 10 мм пластины полупроводника можно получить 36 тысяч субмм. ячеек. Секрет в замене распиливания травлением, и для каждой порции ФВ снимается тонкий слой с пластины, которая затем отправляется на новый круг.КПД ячеек 25% - 35%. Электричество по цене порядка 10 центов за киловатт-час. Стоимость $2-3 за ватт выходной мощности. 0,6 миллиметра (чёрный квадратик) на керамической подложке Большой солнечный модуль из субмилиметр. ячеек Десятки линз собирают свет в ряд ярких точек, в которых установлены микроскопические солнечные батареи.

23 23 Трёхмерные" солнечные батареи Прозрачное пространство между трубками хорошо работает на многократную трансляцию лучей те фотоны, что не поглощаются кремниевыми стержнями, отражаются не вверх, а в стороны на многочисленные соседние "колонны".Батарея лучше воспринимает свет, падающий под самыми разными углами, нежели батарея классическая, чувствительная к точному нацеливанию на Солнце. Технология апробирована только на совсем крошечных образцах (поперечником в десяток миллиметров).

24 24 Достижение не только в выборе материала CZTS, а в технологии. Обычно для создания финального полупроводникового композита применяют растворение определённых составов, однако соединения цинка были нерастворимы. Чтобы обойти проблему, использовалась комбинация из растворённых смесей и взвеси крошечных частиц, своего рода чернила, которые распылялись на нагретой подложке.. Цель поднять КПД до 12%, на заводе, снизить содержание селена чтобы полностью доступные и дешёвые элементы. Этот путь, ведёт к эпохе, когда недорогих миниатюрных батарей встраиваемых в разнообразную технику и огромные поля дешевых микро батарей, Масштаб играет большую роль экономия в центы, полученная на "миллиметровых" образцах, в промышленном варианте означает экономию в миллионы, а следовательно, взлет солнечной энергетики. CZTS-ячейка, рекордсмен фотоэлектрических батарей IBM построила миниатюрную солнечную батарею с КПД 9,6% из меди, цинка, олова и серы очень распространённых и недорогих веществ, плюс хотя и более редкого, но тоже не слишком дорогого элемента селена (получился материал CZTS). Он конкурентен с тонкоплёночными где применяют теллур, его запасы на Земле весьма скромны и на основе селенида меди-индия- галлия (CIGS), поскольку индий и галлий в десять раз дороже селена.

25 25 Микро солнечные батареи Слоёный пирог" из полупроводников в малых масштабах работает с. чипом на базе процессора и управлением питания от солнечной батарейки выдающей 4 вольта, процессору нужно 0,5. Вместо преобразователя напряжения управление специальный алгоритм регулирует такты чипа и меняет периоды его активности и сна. А результат среднее энергопотребление составляет менее одного нановатта. На основе автономные датчики Чип 2,5 х 3,5 х 1 мм. помещается процессор, аккумулятор и солнечная батарея. Компания Semprius, разработала технологию микропечати солнечных батарей. Идея, не нова: наиболее эффективные (в том числе по соотношению мощность /стоимость) фото преобразователи можно получить, применяя в них концентраторы света, сводящие большой поток к миниатюрным солнечным зайчикам. Низкий расход сырья с относительно высоким КПД, в концентрированном световом потоке. Но проблема в организации теплоотвода. Оказалось перегрев с уменьшением размеров сначала нарастает, потом перестаёт У фотоэлектрических панелей меньше миллиметра в поперечнике очень большая доля тепла начинает уходить через боковые грани, в сравнении с плоскими солнечными батареями традиционного размера, так что субмиллиметровые панели нагреваются так же, как обычные солнечные батареи при освещении неконцентрированным солнечным светом. СБ Semprius имеют 3 полупроводниковых слоя на основе арсенида галлия, каждый из которых впитывает свою полосу спектра (что повышает КПД). Изготовление комбинацией химического травления и печати,. Очень мало сырья в отбросы. Из 10 мм пластины полупроводника можно получить 36 тысяч субмм. ячеек. Секрет в замене распиливания травлением, и для каждой порции ФВ снимается тонкий слой с пластины, которая затем отправляется на новый круг.КПД ячеек 25% - 35%. Электричество по цене порядка 10 центов за киловатт-час. Стоимость $2-3 за ватт выходной мощности. 0,6 миллиметра (чёрный квадратик) на керамической подложке Большой солнечный модуль из субмилиметр. ячеек Десятки линз собирают свет в ряд ярких точек, в которых установлены микроскопические солнечные батареи.

26 26 Звездная батарея В основе технологии создания батареи лежит гетероэлектрик – новое вещество на основе наночастиц золота и серебра. Особенность этого материала в том, что он переводит состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, тем самым, повышает общий КПД батареи. Источник питания состоит из двух основных элементов: гетероэлектрического фотоэлемента (ГЭФ), преобразующего видимый и инфракрасный свет в электричество, и гетероэлектрического конденсатора огромной емкости при малом объеме, который полученную энергию накапливает. Подобный элемент обладает уникальной способностью работать не только днём, но и ночью, используя видимые и инфракрасные световые потоки, из-за чего его и назвали «звездной батареей». Эффективность преобразования видимого спектра в электроэнергию – 54%, инфракрасного света в электроэнергию – 31%. Фототок ГЭФ в 4 раза выше, чем у современных батарей, при этом ГЭФ имеет массу полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше Объединённый институт ядерных исследований (Дубна)

27 27 Гидроэлектростанции-рюкзаки Каждый River Star на реках с глубиной > 1,5 м. Пользователю нужно вырыть пару траншей на берегах и закрепить в них якоря, соединённые синтетическим тросом. Отдельный River Star's мощность до 0,5 квт при 2 м/с скорости. Стоимость $3000.

28 28 Разработка комплексных методов оценки ресурсов возобновляемой энергетики Тип карты Временной период Карта распределения суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность Год, лето, теплые полгода Карта распределения суммарной солнечной радиации на оптимальную поверхность Год Карта распределения суммарной солнечной радиации на поверхность, ориентированную по широте Год, лето, теплые полгода (среднее). Карта распределения суммарной солнечной радиации на поверхность, ориентированную по ( широте - 15º) Год, лето, теплые полгода (среднее). Карта распределения суммарной солнечной радиации на поверхность, ориентированную по ( широте + 15º) Год, теплые полгода, холодные полгода Карта распределения суммарной солнечной радиации на вертикальную поверхность. Год, теплые полгода, холодные полгода Среднегодовая дневная сумма суммарной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность. Средняя скорость ветра. Выработка энергии ( ЮФА) ) Составлен перечень, описание и сравнение различных БД с указанием региона охвата, методов получения данных, форм доступа. Верификация данных NASA SSE и их использование для оценок ресурсов солнечной и ветровой энергии регионов России (Республика Бурятия, Южный Федеральный округ в целом и отдельно Краснодарский и Ставропольские края, Республика Калмыкия). Выполнены расчеты и представление в картографическом виде элементов потенциала солнечной энергии и ветровой энергии. Обработаны данные ветромониторинга на площадке для Ейской ВЭС (профили скоростей их аппроксимация, повторяемость, сравнение с многолетними метеоданными). Определена годовая выработка энергии ветроагрегатами заданного типа (Enercon, Gamesa, Vestas). Верификация данных

29 29 Technology of modernization evaporative cooling tower with use of energy of thermal waste 1 -wind directing boards, 2- rotary device, 3- roughness on a surface of boards, 4- direction of a stream. In under irrigating space tangential input and turbulization an air stream is created, increasing a surface contacts of water with air. Transformation of energy of artificial streams to those places where there is no high solar radiation and a wind. Power source for their work can be thermal waste of energy stations. Patent RU ВОЗДУХОВВОД БАШЕННОЙ ИСПАРИТЕЛЬНОЙ ГРАДИРНИ С ТУРБУЛИЗАЦИЕЙ ВИХРЕВОГО ПОТОКА

30 30 Dependence of thermal еfficiency of cooling towers from a ratio of volumetric charges of water and air at without vortex (1) and vortex turbulence (2) cooling air flow. The thermal efficiency modernized of cooling towers on the average depending on weather conditions and hydraulic loading makes 2-5 %. Экономия топливных ресурсов в год 1500 тут (10 тысяч баррелей нефти) $300`000.

31 31 Спасибо за внимание! НИЛ ВИЭ МГУ geogr.msu.ru Е-mail: