VII Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» Московский Государственный университет имени М. В. Ломоносова Москва, 24. - презентация

1 VII Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» Московский Государственный университет имени М. В. Ломоносова Москва, 24 – 26 ноября 2010 г Стребков Д.С. академик РАСХН, Заслуженный деятель науки РФ ГНУ ВИЭСХ.

2 2 1. Что делать в связи с изменением климата и глобальным потеплением. 2. Что делать в связи с энергоресурсами, которые распределены крайне неравномерно и истощаются. 3. Как сохранить стабильность в мире и обеспечить устойчивой развитие при наличии рисков, связанных с изменением климата и недостатком энергоресурсов. 4. Как обеспечить энергетическую безопасность каждой страны и глобальную безопасность.

3 3 Источник: Альтернативная энергетика и экология 9, 2009, стр

4 4 Основные направления будущего развития энергетики: Переход от энергетики, основанной на ископаемом топливе, к бестопливной энергетике с использованием возобновляемых источников энергии; Распределенное производство энергии на региональном уровне совмещенное с локальными потребителями энергии; Создание глобальной солнечной энергетической системы; Замена нефтепродуктов и природного газа на жидкое и газообразное биотопливо, а ископаемого твердого топлива на использование энергетических плантаций биомассы; Замена автомобильных двигателей внутреннего сгорания на бесконтактный высокочастотный резонансный электрический транспорт.

5 5 Глобальная энергетическая система энергоснабжения Земли. В 1975 г. Р. Букминстер Фуллер предложил соединить региональные энергосистемы в Единую энергетическую систему Земли. Эту проблему активно развивает и пропагандирует Институт глобальной энергетической сети GENI (GLOBAL ENERGY NETWORK INSTITUTE), зарегист­рированный в Калифорнии (США) [4.41]. Президент GENI Петер Мейсен участвовал в работе Международного солнечного конгресса в Москве в 1997 г. и сделал доклад во ВНИИ электрификации сельского хозяйства. Работы по передаче электрической энергии на большие расстояния ведут Сибирский энергетический институт, Санкт-Петербургский государственный технический университет, ВЭИ, а также ABB, Сименс и другие фирмы. Разрабатывается энергосистема 10 южноамериканских стран, арабских государств, Балтийское и Черноморское энергетическое кольцо, линия электропередач Сибирь – Китай. Созданы объединенные энергосистемы России и стран СНГ, а также США и Канады, скандинавских и европейских стран.

6 6 Существующие технологии позволяют передавать потоки электроэнергии мощностью 10 Гегаватт на расстояние несколько тысяч километров. Используются линии электропередач постоянного или переменного тока напряже­нием 0,6 - 1,2 млн. В, стоимость которых превышает 1 млн. долл. за 1 километр, а с учетом согласующих, регулирующих и преобразующих устройств составляет более 5 млн. долл/км. Потери электрической энергии в ЛЭП составляют 8 – 10%. Предельная передаваемая по линии электрическая мощность ограничена тремя факторами: плотностью тока 1,0 – 1,5 А/мм 2, связанной с потерями на сопротивлении проводов, изоляционными возможностями воздуха на уровне 1,5 млн. В. и электромагнитной устойчивостью линии.

7 7 На основе резонансных методов передачи энергии создаются одно проводниковые волноводные кабельные линии, согласующие и преобразующие устройства, которые соединят генераторы и потребители энергии в каждой стране в мировую энергетическую систему. Резонансные технологии позволяют передавать потоки электроэнергии мощностью несколько тераватт на расстояния в десятки тысяч километров.

8 8 Исследованиями великих миграционных процессов, происходивших на Земле, занимается Международная ассоциация «Путями Великих Миграций Человечества» под руководством российского ученого Д.Б. Пюрвеева. Со времен древнего палеолита (420 тыс. лет до н.э.) началась миграция племен из Северо-восточных регионов Азии через Берингов пролив в Северную Америку. Охотники каменного века (7 – 10 тыс. лет до н.э.) осваивали во время сезонных миграций трассы Великого Шелкового пути, который соединил страны Европы, Ближнего и Среднего Востока с Китаем и Индией. В настоящее время идет процесс возрождения Великого Шелкового пути и транспортных артерий из Юго-Восточной Азии в Северную Азию и Европу. Д.Б. Пюрвеев с группой российских ученых предложил международный проект «Великое сокрестие континентов», в котором предлагается интеграция Евразийского и Американского континентов в 21 веке.

9 9 Будут созданы трансконтинентальное системы, объединяющие транспортные и энергетические потоки, совмещающие волноводные кабельные линии, магистральные линии связи, трассы железной дороги и автомобильной магистрали. В первую очередь это транспортная и энергетическая магистраль с Запада на Восток: Лиссабон – Владивосток и с Юга на Север: Австралия, Индонезия, Таиланд, Вьетнам – Китай - Берингов пролив – Аляска – Канада – Америка. Второй меридиональный (энергетический) поток пройдет по Великому Шелковому пути: Индия – Афганистан – Киргизстан – Таджикистан – Узбекистан – Туркменистан – Казахстан, Север Западной Сибири. Меридиональные энергетические и транспортные потоки пересекутся в Восточной и Западной Сибири с широтной энергетической и транспортной магистралью, образуя великое сокрестие Европы и Азии.

10 10 Третья меридиональная транспортная и энергетическая линия свяжет Кейптаун с Осло через Восточную Африку, Арабские страны, Турцию, страны Черного моря, со странами Восточной Европы и Скандинавии. Четвертая меридиональная энергетическая линия соединит страны Западной Африки, Средиземноморья, Западной Европы, Англию и Ирландию. Меридиональная энергетическая линия соединит страны Южной и Северной Америки.

11 11 Будет создана также широтная энергетическая линия в экваториальной зоне от 0° до 30° северной широты, соединяющая страны Азии, Африки и Латинской Америки. Экваториальная энергетическая линия, а также широтная энергетическая линия Лиссабон – Владивосток будет замкнута через Тихий и Атлантический океан, Северную и Центральную Америку. Сеть меридиальных и широтных энергетических линий обра­зуют объединенную энергетическую Систему Земли.

12 12 Развивающиеся страны по сравнению со странами Европы и Северной Америки имеют в 1,5 – 3 раза больше солнечной энергии, поступающей на единицу площади территории. В третьем тысячелетии развивающие страны смогут использовать сезонное изме­нение солнечной энергии и в зимние месяцы продавать электроэнергию, полученную от солнечных электростанций, в Северные страны, где солнечная энергия имеется в изобилии только с марта по сентябрь. Для этого необходимо организовать потоки электроэнергии в меридиональном направлении. Электроэнергетические потоки в широтном направлении Запад – Восток дают возможность использовать суточное изменение солнечной энергии, связанное с вращением Земли вокруг своей оси.

13 13 График суточных изменений производства электроэнергии солнечной энергосистемы Россия – Беларусь

14 14 Энергосистема из двух солнечных электростанций, установленных на Чукотке, пос. Марково (64°40' с.ш., 170°23' в.д.) – 1,5 TВт, и в Мавритании (Африка) – 1 TВт, сможет круглосуточно с марта по сентябрь обеспечить все страны Африки, Ближнего Востока, Европы, России и СНГ электрической энергией (рис. 15). Годовое производство в энергосистеме составит 5431,6 ТВт·ч. График суточных изменений выработки электроэнергии Афро-Евразийской солнечной энергосистемы, состоящей из двух солнечных электростанций на Чукотке в России (1,5 ТВт) и в Мавритании (1,0 ТВт) со слежением вокруг полярной оси для средних дней 12 месяцев года

15 15 Создание мировой солнечной энергосистемы позволит исключить суточную и сезонную неравномерность выработки электроэнергии и обеспечить круглосуточное и круглогодичное надежное, экологически безопасное электроснабжение потребителей энергии. При этом будет снижен парниковый эффект и уменьшено негативное влияние топливных электростанций на окружающую среду.

16 16 Глобальная солнечная энергетическая система из трех солнечных электростанций.

17 17 Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой

18 18 Производство и потребление электроэнергии IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIГод Среднемесячное производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой, ТВт·ч Ежегодное потребление электричества в Мире ТВт·ч (2001)

19 19 Параметры глобальной солнечной энергетической системы Объем производства электроэнергии в глобальной энергосистеме ТВтч/год КПД солнечных электростанций 25% Срок службы солнечных модулей электростанций 50 лет Объем производства солнечных модулей электростанций 100 – 300 ГВт/год Объем производства солнечного кремния 1 – 3 млн. т/год Стоимость солнечных фотоэлектрических модулей 1000 долл/к Вт Создаются три солнечные электростанции электрической мощностью 2,5 ТВт каждая. Площадь каждой солнечной электростанции 190 х 190 км 2 Солнечные электростанции устанавливаются в экваториальном поясе шириной от 30 о ю.ш. до 30 о с.ш. на угловом расстоянии друг от друга по долготе 120 о. Солнечные электростанции объединяются в глобальную энергосистему с помощью резонансных волноводных подземных и подводных линий электропередач напряжением млн. вольт с резонансной частотой к Гц.

20 20 Самая быстрорастущая отрасль бестопливной энергетики в мире с темпами роста 53% в год и объемом производства в 2009 году 12 ГВт. Солнечные электростанции с концентраторами в Калифорнии мощностью 354 МВт работают с 1980 г. и замещают ежегодно 2 миллиона баррелей нефти.

21 21 КПД солнечных электростанций не менее 25 % Годовое число часов использования мощности солнечной энергосистемы должно быть равно часов. Это означает, что Солнечная энергетическая система должна генерировать электроэнергию 24 часа в сутки 12 месяцев в году. Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет. Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электростанции не должна превышать 1000 долл. США Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать один млн. тонн в год при цене не более 12 долл. США/кт. Материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и безопасными. Критерии конкурентоспособности солнечной и топливной энергетики:

22 22

23 23 Источник: Photon International September 2010, p. 18.

24 24 Конструкции фотоэлектрических кремниевых модулей третьего поколения Фотоэлектрические кремниевые модули (ФКМ) на основе матричных солнечных элементов (МСЭ) – это интегральные устройства из последовательно скоммутированных миниатюрных СЭ из кремния с вертикальными р-n переходами. ФКМ имеют высокое напряжение и низкое последовательное сопротивление и идеально подходят для эффективного преобразования концентрированных лучистых потоков высокой интенсивности.

25 25 Матричный солнечный элемент площадью 1 см 2 с КПД 21,6%

26 26 Фотоэлектрический кремниевый модуль на основе матричных солнечных элементов в оболочке из стекла. Размеры ФКМ ,4 мм, 25 солнечных микроэлементов Площадь 6 см 2 Фотоэлектрический модуль с планарными СЭ электрической мощностью 60 Вт. Размеры мм, 36 солнечных элементов Площадь 6000 см 2

27 27 Вольтамперные характеристики ФКМ размером 10 х 60 х 0,4 мм: 1' – освещенность 102 к Вт/м 2, КПД 24%; 1'' – 493 к Вт/м 2, КПД 20%; 2 – планарного солнечного модуля размером 1,2 х 0,54 м при освещенности 1 к Вт/м 2, КПД 12%

28 28 Федеральная служба РФ по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам выбрала из российских патентов 100 лучших, в число которых был включен патент на рассматриваемый СЭ третьего поколения и технологию его изготовления. Технология производства нового СЭ подготовлена к условиям массового производства, не требует применения серебра, сеткографии, фотолитографии и других трудоемких операций.

29 29

30 30 Современные процессы полупроводниковой электроники и нанотехнологии позволят в ближайшие годы увеличить КПД преобразования концентрированного солнечного излучения на кремниевых солнечных элементах до 40%.

31 31 В ГНУ ВИЭСХ разработана новая технология, материалы и технологическое оборудование для сборки солнечных фотоэлектрических модулей с увеличением срока службы солнечных электростанций в два раза с лет до лет. Новая технология повышает КПД за счет снижения рабочей температуры модуля и позволяет создавать фотоприемники концентрированного излучения с большим сроком службы. Солнечный модуль изготовлен с применением нового типа заполнителя - модифицированного полисилоксанового геля, обеспечивающего улучшенные оптические параметры, расширенный диапазон эксплуатационных температур и удвоение срока службы модуля. Температурный диапазон эксплуатации: от - 60 до + 60 С. Предполагаемый срок эксплуатации модуля - более 40 лет. Годовая экономия электроэнергии на производстве модулей мощностью 1 МВт не менее к Вт/час. Увеличение объема производства электроэнергии при эксплуатации СЭС за счет увеличения срока службы с 20 до 40 лет составит 20 миллионов к Вт-ч для СЭС 1 МВт и 200 миллиардов к Вт-ч на мировой объем выпуска 10 ГВт.

32 32 Солнечный фотоэлектрический модуль с увеличенным сроком службы с 20 до 40 лет Предназначен для прямого преобразования солнечного излучения в электроэнергию Может быть использован для комплектования отдельно стоящих фотоэлектрических станций, в качестве архитектурных элементов (крыши и фасады), а также в составе установок с концентрированными потоками солнечной энергии.

33 33 СЭС 1 ГВт в Туркменистане. Предлагается Мега-проект строительства солнечной электростанции мощностью 1 ГВт в пустыне Каракум, Туркменистан, и линии передачи электрической энергии на Урал и в Европейскую часть России. Размеры СЭС 35 км 2, стоимость СЭС 6,5 млрд. долл. Проект позволит создать новых рабочих мест в энергетике и смежных отраслях промышленности. Проект включает строительство завода в Туркмении по выпуску энергоблоков СЭС с концентраторами солнечной энергии общей мощностью 150 МВт в год на основе новых российских технологий.

34 34 1 ГВТ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ В ПУСТЫНЕ КАРА-КУМ, ТУРКМЕНИСТАН Основные характеристики: Электрическая мощность - 1 ГВт; КПД фотопреобразователей - 20%; Годовое производство электроэнергии - 1,3 млрд. к Втч; Территория - 15 км 2 ; Стоимость - $ 6,5 млрд.; Экономия нефти - 6 млн. баррелей/год; Не менее новых рабочих мест в энергетике и смежных областях; Передача электроэнергии на Северный Урал РФ, в Афганистан и Иран. Российская академия сельскохозяйственных наук ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ )

35 35 Месячная и годовая производительность фотоэлектрической СЭС 1 ГВт в пустыне Каракум, Туркменистан, млн. к Втч: Ориентаци я панели IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIГод Стационарные панели, ориентированные на юг Наклон 30 о 61, 8 72, 0 91,6108,7137,1142,1148,6151,2136,0114,8 74, 0 55, ,6 Панели со слежением за Солнцем Полярная ось 74, 8 87, 2 111,2135,3182,4195,5204,0209,2182,1149,3 91, 7 67, ,9 Две оси 77, 3 87, 9 111,5137,5191,4209,4215,3213,1182,2151,194, 8 70, ,7

36 36 В проекте солнечной электростанции используются три не имеющие аналогов в мире инновационные технологии ГНУ ВИЭСХ: 1. Технологии высокоэффективных двухсторонних матричных солнечных элементов на основе кремния с КПД до 25% (по сравнению с 12-15% на заводах России и Европы) при концентрации 5 – Технологии герметизации и сборки солнечных модулей (СМ) со сроком службы до 40 лет (по сравнению с годами для всех других СМ). 3. Конструкции и технологии сборки стационарных фацетных концентраторов.

37 37 Сравнительные характеристики энергопотребления в зданиях, к Вт. ч/м 2. год. Россия Финляндия, Швеция Германия Новые стандарты

38 38 Энергосбережение в зданиях 1. Новые технологии активной теплозащиты зданий с использованием вакуумной теплоизоляции толщиной 7 мм позволяют увеличить поступление тепловой энергии в зданиях на 500 к Вт ч/м 2 год и снизить потери энергии в зданиях на %. 2. В летние месяцы ваакумная теплоизоляция позволит на 30% снизить затраты на кондиционирование зданий.

39 39 Конструкции солнечных фасадов с вакуумированными стеклопакетами

40 40 Вакуумная теплоизоляция 7 мм при вакууме мм рт. ст. обеспечивает перепад температур

41 41 Тепловая энергия, полученная от воздушных солнечных коллекторов на фасаде здания в отопительный период и потребление тепловой энергии на отопление в жилой квартире Город Тепловая энергия, полученная от солнечных коллекторов*, ГДж/к Втч Потребление тепловой энергии в квартире**, к Вт·ч Москва 12965,4/3601,54750 Сочи 22210,2/6169,54750

42 42

43 43 Использование тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения 1 к Вт·ч электроэнергии за счет энергии окружающей среды создает тепловую энергию в тепловом насосе типа: Воздух – воздух 3 к Вт.ч Вода – вода 5 к Вт.ч Вода – солнечный коллектор – вода 10 к Вт.ч Вода – солнечный фотоэлектрический модуль – вода 16 к Вт.ч

44 44 Распределенное бестопливное производство энергии.

45 45

46 46 Биодизельное топливо из растительной биомассы.

47 47

48 48 Выращивание микроводорослей в фотобиореакторах Промышленное выращивание микроводорослей в открытых прудах Существуют два принципиально отличающихся способа выращивания микроводорослей – в открытых и в замкнутых системах. В первом случае культивирование водорослей осуществляется в прудах и бассейнах различных конструкций и в качестве источника освещения используется солнечный свет. Другой способ включает закрытые фотобиореакторные системы с искусственным освещением.

49 49 Морские энергетические плантации для получения биотоплива из одноклеточных растительных структур: фитопланктон, диатомовые водоросли, хлорофиллы, время культивирования урожая которых составляет от 8 до 24 час.

50 50 Перспективные направления технологии выращивания энергетической биомассы микроводорослей

51 51 Биомасса Годовое использо- вание биомассы в мире эквивалентно потреб- лению 1 млрд. тонн нефти и сравнимо с уровнем потребления природного газа и угля.

52 52 Энергетические установки, использующие биомассу, отходы могут дать столько же энергии, сколько все атомные станции в России, и они имеют почти нулевые выбросы диоксида углерода и серы, то есть являются экологически чистыми. Получение и использование этого топлива, а также смесевого и модифицированного топлива позволит пополнить энергобаланс сельских предприятий и регионов и в значительной мере снизить зависимость от централизованных закупок ископаемого топлива и электроэнергии.

53 53 ВЫХОД БИОТОПЛИВА ИЗ СУХОЙ БИОМАССЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПИРОЛИЗА Технология Температур а и время процесса Фракции биотоплива Жидкое Древесный уголь Газ Быстрый пиролиз 600º С75%12%13% Медленный пиролиз 400º С30%35% Газификаци я 800º С5%10%85%

54 54 Установка для получения смесевого водомазутного топлива производительностью 2 т/час

55 55 Три главные проблемы современной электроэнергетики создание сверхдальних линий передач с низкими потерями без использования технологии сверхпроводимости; увеличение пропускной способности линий; замена воздушных линий на кабельные одно проводниковые волноводные линии и снижение затрат меди в раз.

56 56 Передача электроэнергии сопровождается потерями, составляющими в среднем 8,8%. Суммарные потери электроэнергии в мире превышают объем ее производства в такой стране, как Китай (3433,4 ТВч) Средние величины расходов электроэнергии на собственные нужды электростанций и ее потерь в СПР по некоторым странам мира, % Страны или их объединени я Расходы электроэнергии на собственные нужды станций Потери электроэнерг ии в СПР Расходы электроэнергии на аккумулирование Всего Индия 6,925,00,031,9 Мексика 5,016,20,021,1 Бразилия 3,416,60,020,0 Россия 6,911,8-0,618,1 Китай 8,06,70,414,7 ЕС-275,36,70,412,5 США4,86,20,211,2 Канада 3,27,30,010,5 Япония 3,74,60,38,7 Весь мир 5,38,80,214,3 Источник: Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA 644 pp

57 57 Передача электроэнергии от электростанций к крупным потребителям осуществляется по линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока напряжением кВ. Потери в таких ЛЭП составляют от 15% на 1000 км длины линий напряжением 380 кВ и до 8% на 1000 км напряжением 750 кВ. Технико-экономические параметры высоковольтных ЛЭП переменного и постоянного тока. Параметры ЛЭП переменного токапостоянного тока Рабочее напряжение, кВ Потери в воздушных линиях, %/1000 км 8632,5 Потери в кабельных (морских) линиях, %/100 км 60500,330,2 Потери на подстанциях, % на подстанцию 0,2 0,70,6 Инвестиции в воздушные линии, млн. евро на 1000 км Инвестиции в кабельные линии, млн. евро на 1000 км Инвестиции в подстанции, млн. евро на подстанцию Источник: Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA 644 pp

58 58 Современные системы передачи электрической энергии используют двух- и трехпроводные линии, в которых электрическая энергия передается от генератора к приемнику бегущими волнами тока, напряжения и электромагнитного поля. Основные потери обусловлены джоулевыми потерями на сопротивлении проводов от протекания активного тока проводимости по замкнутому контуру от генератора к приемнику и обратно. Крупные энергетические компании во многих странах мира вкладывают гигантские средства и научные ресурсы в создание технологии высокотемпературной сверхпроводимости для снижения джоулевых потерь в линии.

59 59 Существует другой, более эффективный способ передачи энергии: использовать регулируемые резонансные волноводные системы передачи электрической энергии на повышенной частоте к Гц, которые не используют активный ток проводимости в замкнутой цепи.

60 60 Резонансная система передачи электрической энергии Резонансная система передачи электрической энергии состоит из двух резонансных высокочастотных трансформаторов Тесла 2 и 4, соединенных однопроводниковой высоковольтной линией ~50 Гц 0,5 – 50 к Гц ~50 Гц

61 Электрический генератор, 50 Гц (1-100 к Гц) 2. Преобразователь частоты 50 Гц/1-100 к Гц (отсутствует, если генератор имеет частоту к Гц) 3. Однопроводная линия 10 – 500 кВ 4. Понижающий высокочастотный трансформатор 10 – 500 кВ/0,4 кВ, к Гц 5. Инвертор 1-10 к Гц/50 Гц Однопроводная энергетическая система

62 62 Механизм передачи энергии Изменяется механизм передачи электрической энергии. В обычных двух-трехпроводных линиях при включении генератора в линии возникают бегущие волны тока, которые должны достигнуть нагрузки и вернуться к генератору. В резонансной однопроводниковой волноводной линии при наличии стационарных волн незамкнутого электрического тока электрическая энергия присутствует в любой точке линии.

63 63 Основы резонансной электроэнергетики Для протекания тока не обязательно иметь замкнутую цепь из двух проводников между генератором и нагрузкой. Ток может протекать по однопроводной линии, так же, как вода по трубе из верхнего бассейна перетекает в нижний, или как теплота от горячего конца теплопроводящего бруска движется к холодному концу. Впервые В. Томсон указал на аналогию между теплопроводностью и электростатикой, а Д. Максвелл на аналогию между гидродинамикой и электродинамикой. В однослойной катушке с проводом фазовая скорость движения электромагнитной волны вдоль оси катушки может быть в сотни раз меньше, чем в воздушной линии электропередачи или скорости света в свободном пространстве. Ток изменяется по длине линии в разных витках катушки и в разных частях однопроводниковой линии и может иметь любые локальные значения, в том числе и равные нулю. Более того, в разных участках однопроводной цепи ток может быть направлен в противоположные стороны.

64 64 Из высказываний двух выдающихся ученых в области электротехники и электроэнергетики. «Исключительная трудность согласования законов электромагнетизма с существованием незамкнутых электрических токов – одна из причин среди многих, почему мы должны допустить существование токов, создаваемых изменением смещения». Д. Максвелл. «В 1893 г. я показал, что нет необходимости использовать два проводника для передачи электрической энергии… Передача энергии через одиночный проводник без возврата была обоснована практически» Н. Тесла, 1927 г. «Эффективность передачи может быть 96 или 97 процентов, и практически нет потерь… Когда нет приемника, нет нигде потребления энергии» Н. Тесла, 1917 г. «Мои эксперименты показали, что на поддержание электрических колебаний по всей планете потребуются несколько лошадиных сил». Н. Тесла, 1905 г. Н. Тесла ответил и на вопрос, который часто задают нам: почему электроэнергетика не восприняла его идеи? «Мой проект сдерживался законами природы. Мир не был готов к нему. Он слишком обогнал время. Но те же самые законы восторжествуют в конце и осуществят его с великим триумфом». Н. Тесла, 1919 г.

65 65 Резонансный контур понижающего высокочастотного трансформатора

66 66 Испытания резонансной энергетической системы 20 к Вт с однопроводниковой кабельной линией 1,2 км в лаборатории ВИЭСХ

67 67 Результаты испытаний резонансной системы передачи электрической мощностью 20 к Вт Электрическая мощность на нагрузке Tок Напряжение 20,52 к Вт 54 А 380 В Напряжение линии 6,8 кВ Частота линии 1 к Гц Длина линии 6 м 1,2 км Диаметр провода линии 0,08 мм 1 мм Максимальная эффективная плотность тока на единицу площади поперечного сечения проводника линии 600 А/мм 2 Максимальная удельная электрическая мощность в однопроводииковой линии 4 МВт/мм 2

68 68 На основании теоретических исследований с исполь- зованием компьютерного моделирования разработаны, изготовлены и испытаны высокочастотные трансформаторы для нового поколения резонансных систем, позволяющие получить напряжение до 1 млн. В

69 69 Преимущества резонансного метода передачи электрической энергии Электрическая энергия передается с помощью реактивного емкостного тока в резонансном режиме. Несанкционированное использование энергии затруднено; Содержание алюминия и меди в проводах может быть снижено в 10 раз; Стальные провода с медным покрытием 0,1 мм не имеет смысла воровать, чтобы сдать в металлолом; Потери электроэнергии в однопроводной линии малы и электроэнергию можно передавать на большие расстояния В однопроводном кабеле невозможны короткие замыкания и однопроводный кабель не может быть причиной пожара

70 70 Однопроводниковые резонансные системы открывают возможности для создания сверхдальних кабельных линий электропередач и, в перспективе, замены существующих воздушных линий на кабельные одно проводниковые линии. Тем самым будет решена одна из важнейших проблем энергетики – повышение надежности электроснабжения

71 71 Преимущество кабельных линий по сравнению с высоковольтными линиями: 1. Пониженное магнитное поле; 2. Нет необходимости в техническом обслуживании; 3. Бесшумность; 4. Большая безопасность (из-за обрыва проводов); 5. Большая надежность; 6. Нет влияния погодных условий; 7. Не нарушается естественный природный ландшафт; 8. Снижение на 10% потерь при передаче энергии из- за отсутствия короны и токов утечки; 9. Нет полосы отчуждения.

72 72 Другое глобальное применение резонасных однопроводниковых систем передач электроэнергии заключается в возможности создания бесконтактного высокочастотного электрического транспорта.

73 73 ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ БЕСТОПЛИВНЫЙ ТРАКТОР БУДУЩЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ: отсутствие двигателя внутреннего сгорания и топливных баков; отсутствие химических аккумуляторов; отсутствие топливных элементов, системы накопления и хранения водорода; неограниченная дальность пробега; возможность полной автоматизации вождения на автострадах. Используется бесконтактная резонансная система электроснабжения с однопроводниковой линией электропередачи, работающей на повышенной частоте. Разработка ориентирована на современные приоритеты развития городского транспортного хозяйства: энергосбережение, экономия моторного топлива, снижение вредных выбросов и шума, автоматизация вождения и т.д.

74 74 ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ

75 75 Рикша имеет легкий мобильный фотоэлектрический модуль на основе монокристаллических СЭ производства ГНУ ВИЭСХ. Размеры модуля 1,2 1 м, пиковая электрическая мощность 90 Вт., рабочее напряжение 47 В, масса 7,2 кг. Солнечный модуль используется для зарядки трех последовательно соединенных аккумуляторов типа FIMM FGH 20902, каждый из которых имеет емкость 9 А. ч., напряжение 12 В, размеры мм и массу 2,8 кг. Общая масса аккумуляторов 8,4 кг, энергоемкость 324 Вт ч. В нижней части электрорикши между колесами установлена приемная антенна размерами 0,8 0,5 м резонансной беспроводной системы электроснабжения от однопроводного кабеля диаметром по меди 1 мм, установленного в дорожном покрытии. Расстояние от приемной антенны до дорожного покрытия регулируется в пределах от 5 см до 20 см. Беспроводная резонансная система электроснабжения работает на частоте к Гц и используется для подзарядки аккумулятора в темное время суток и для привода электродвигателя электрорикши при отсутствии аккумулятора и солнечного модуля. В Индии используются 8 млн. рикш и индийское правительство придает большое значение электрификации этого вида транспорта. В будущем легкие мобильные солнечные фотоэлектрические модули будут использоваться на легких транспортных роботах в пастбищном животноводстве в комплекте с резонансной однопроводной системой электроснабжения и передвижной электроизгородью для автоматизации перемещения стада на новые участки пастбища. Солнечная электрорикша.

76 76 Использование электрического бесконтактного привода в сельской энергетике открывает перспективы большой экономии топлива и создания беспилотных, управляемых компьютером со спутниковой навигацией роботов-автоматов для обработки земли, выращивания и уборки сельскохозяйственной продукции. В этом случае сельскохозяйственное производство превратится в фабрики на полях, организованные на принципах автоматизированных промышленных предприятий.

77 77 Космические энергетические системы. Двадцатый век был последним веком дешевой энергии. Эпоха дешевой энергии закончилась, и нужны новые энергетические технологии, чтобы обеспечить устойчивое будущее развитие. Новые энергетические технологии не будут использовать ископаемое топливо. Глобальная солнечная энергетическая система, состоящая из трех солнечных электростанций, расположенных в Австралии, Африке и Северной Америке, сможет обеспечивать электроэнергией, водородным топливом и теплом круглосуточно все районы Земли в течение миллионов лет и перевести все электростанции, работающие на ископаемом топливе, в разряд резервных электростанций. Достигнутый в лабораториях максимальный КПД солнечных элементов составляет 40%, а практический срок их службы 50 лет. Для функционирования глобальной солнечной энергосистемы необходимо организовать трансконтинентальные тераваттные потоки электрической энергии. Резонансные технологии передачи электрической энергии могут быть использованы для создания мировой энергетической системы. Человечество сможет объединить и сконцентрировать свои энергетические ресурсы и технологии для создания достойных условий жизни каждому человеку и реализации крупных научно-технических проектов на Земле и в космическом пространстве.

78 78 При частоте к Гц электроэнергия может передаваться от генератора к приемнику при наличии однопроводной направля­ющей системы по неметаллическому проводящему каналу, так же как электромагнитная энергия передается по лазерному лучу или СВЧ-пучку, но с более высоким КПД из-за малых потерь на поглощение и излучение энергии. Для беспроводной передачи электрической энергии в атмосфере Земли. Между источником и приемником электрической энергии формируют проводящий канал методом фотоионизации и ударной ионизации с помощью генератора излучения, например лазера.

79 79 Схема способа и устройства для беспроводной передачи электрической энергии к стационарным потребителям

80 80 На основе резонансного способа и устройства может быть создана линия передачи электрической энергии без прово­дов любой заданной протяженности, а также объединенная энергетическая система линий, соединяющих необходимое количество потребителей и источников электрической энергии. Электрическая мощность, передаваемая по проводящему каналу, зависит от мощности источника электрической энергии, от энергии перезарядки емкости линии и приемника и от частоты циклов перезарядки. Длина проводящего канала зависит от мощности генератора излучения и угловой расходимости излучения.

81 81 Неодимовый лазер с удвоением частоты с энергией в импульсе один джоуль способен создать концентрацию ионов в воздухе 1015 см-3, до­статочную для инициации стриммеров и передачи электрической энергии по проводящему каналу. Потенциал ионизации, время жизни ионов и возбужденных состояний молекул, коэффициент многофотонного поглощения определяют предельную длину проводящего канала в атмосфере 500 км и его волновое сопротивление 200 – 400 Ом. Необходимое напряжение ОЭС составляет от 0,5 MB до 15 MB в зависимости от длины канала. При емкости линии и приемника пФ, частоте 30 к Гц и напряжении 35 кВ максимальная передаваемая мощность составит 5 МВт. При увеличении напряжения линии до 1000 кВ максимальная передаваемая мощность составит 5000 МВт. При мощности лазера 1 – 10 к Вт и расходимости излучения 1 – 2 угловой секунды длина одного проводящего канала составит от 100 м до 1 – 10 км. При использовании нескольких последовательно соединенных проводящих каналов длина линии передачи электрической энергии может быть увеличена до 100 км и более.

82 82 Резонансный способ и устройство могут быть использованы для передачи электрической энергии на самолеты, шары- зонды, ракеты и низкоорбитальные спутники, как в непрерывном, так в импульсивном режиме с использованием ионосферы Земли. Установленные на Земле и на летательных аппаратах высокочастотные генераторы энергии и приемники энергии, соединенные между собой проводящими слоями ионосферы и проводящими каналами, образуют единую энергетическую систему Земли.

83 83 Общая схема резонансного способа и устройства для передачи электрической энергии в атмосфере L1L1 C1C1 C2C2 1 C4C4 C3C3 L2L

84 84 Резонансный способ передачи электрической энергии с Земли на летательные аппараты в атмосфере через проводящие слои в ионосфере

85 85 Общая схема способа и устройства для передачи электрической энергии с помощью проводящего канала на основе релятивистских электронных пучков

86 86 Источник 1 и приемник 7 могут быть установлены на Земле, орбитальной станции, космическом аппарате, Луне и планетах солнечной системы. За пределами атмосферы в качестве проводящего канала нами предложено использовать релятивистские пучки электронов высоких энергий, которые в отличие от лазерных пучков не обладают расходимостью. При этом в качестве естественной емкости 6 может быть исполь­зована, например, Луна или искусственное проводящее тело, на котором установлен приемник энергии, а генератор энергии может быть на Земле или ее спутнике.

87 87 Если предварительно ускорить электрон в электрическом поле до энергии, значительно превышающей массу покоя, то такой электрон может пролететь на очень далекое расстояние без существенной потери энергии. Потери энергии связаны в основном с рассеиванием на атомах среды, в которой распространяется электронный пучок. Сечение рассеяния заряженных частиц резко убывает с ростом относительной энергии при столкновениях. По этой причине потери энергии из-за рассеяния на атомах среды можно значительно сократить, если увеличивать энергию релятивистского электронного пучка. При этом также уменьшается электростатическое отталкивание электронов пучка и подавляется разлет электронов в поперечном направлении. Движущиеся электроны представляют собой параллельные токи, которые испытывают магнитное притяжение друг к другу. Это магнитное притяжение ослабляет электростатическое отталкивание электронов пучка в раз, где Е – энергия, до которой ускорены электроны; mе – масса электрона; с – скорость света.

88 88 На рисунке над землей на высоте 25 – 40 км на расстоянии прямой видимости друг от друга располагают на летательных аппаратах 21, 22, 42 ускорители 5 релятивистских пучков электронов 6, которые формируют проводящие каналы 4 между проводящими электроизолированными экранами 26, установленными на каждом летательном аппара­те. В качестве летательных аппаратов 21, 22, 42 используют Схема способа и устройства для передачи электрической энергии в околоземном пространстве с использованием проводящих каналов на основе гибких проводящих нитей, лазерного излучения и релятивистских пучков электронов

89 89 Приемники энергии 7, установленные на летательном аппарате 44 или на Земле 16, получают энергию через проводящие каналы 4, сформированные с помощью релятивист­ского пучка электронов 6 и лазерного луча 18, которые направляют от приемников энергии 7 на летательном аппарате 44 и на Земле 16 на промежуточные электроизоли­ рованные экраны 26, которые находятся в пределах прямой видимости. Это позволяет получать электрическую энергию практически в любом месте земного шара и в околоземном пространстве. Летательные аппараты 21, 22, 42 можно назвать электри­ческими ретрансляторами глобальной системы энергоснабжения Земли. Одновре­менно на этих летательных аппаратах устанавливают ретрансляторы телевизионных сигналов и сотовой телефонной связи, которые получают энергию от электрических ретрансляторов с помощью вспомогательных понижающих трансформаторов Тесла 28, установленных на каждом летательном аппарате 21, 22, 42.

90 90 Ускоритель 5 создает релятивистский пучок электронов 6, который является направляющей системой для передачи элек­трической энергии от источника энергии 1 к приемнику 7. Электроны в электрическом поле ускорителя ускоряются до энергии, значительно превышающей энергию, соответ­ ствующую массе покоя электрона. Так как сечение рассеяния электронов резко убывает с ростом относительной энергии, потери энергии из-за рассеяния на атомах среды значительно сокращаются при увеличении энергии электронного пучка. Поэтому релятивистский пучок электронов может распро­страняться на очень большое расстояние без существенной потери энергии. Увеличение энергии электронов снижает ионизационные потери и подавляет разлет пучка в попереч­ном направлении, который происходит из-за электростатического взаимного отталкивания электронов пучка.

91 91 Рассеивание электромагнитной энергии при низких частотах мало, так как электромагнитное поле бегущей волны сконцентрировано около релятивистского пучка электронов и распространяется не изотропно, как радиоволны, а вдоль направляющей системы. У приемника происходит преобразование электромагнитной энергии высокой частоты в электрическую энергию постоянного тока или тока промышленной частоты с помощью понижающего высокочастотного трансформа­тора 10, выпрямителя и инвертора или диодно- конденсаторного блока.

92 92 Электрическая энергия и мощность, передаваемая вдоль релятивистского пучка электронов 6, значительно (в сотни и тысячи раз) превосходит мощность ускорителя 5 и энергию, затрачиваемую на создание релятивистского пучка электронов, которая в основном затрачивается на ионизацию воздуха. Ионизационные потери будут уменьшаться при снижении давления остаточного газа в верхних слоях атмосферы. Наибольшая дальность передачи электрической энергии может быть достигнута при передаче за пределами атмосферы между космическими аппаратами и на трассах к Луне и Венере, Марсу и другим планетам солнечной системы. Способ и устройство для передачи электрической энергии с использованием проводящих каналов, сформированных релятивистскими пучками электронов, могут также быть использованы при передаче электрической энергии в верхних слоях атмосферы на расстояние до нескольких десятков тысяч километров при использовании промежуточных проводящих тел, выполняющих функции ретрансляторов затухающего в результате ионизационных потерь электронного пучка. В этом случае ретрансляторы электрической энергии могут быть объединены с ретрансляторами информационных каналов сотовой связи и телевидения и образуют на высоте 30 – 40 км замкнутую систему энергетического и информационного обеспечения потребителей в любой точке земной поверхности.

93 93 Для передачи энергии из Космоса на Землю и обратно предложено использовать в качестве проводящих каналов встречные и пересекающиеся электронные и лазерные пучки с проводящими промежуточными те­ лами, а на высотах до 30 км композиционные углеродосодержащие и волоконно-оптические кабели (см. раздел 1.7). Для создания объединенной энергетической системы Земли в качестве проводящего сферического канала предложено использовать однопроводную энергетическую систему и проводящие слои в ионосфере Земли. Передаваемая мощность ограничена, как и в обычных ЛЭП, зарядной мощностью линии и может достигать при больших напряжениях в импульсном режиме до 1010 Вт и в непрерывном режиме величины до 50 МВт.

94 94 Электрическая схема устройства для беспроводной передачи электрической энергии с использованием четвертьволновой резонансной линии для усиления потенциала в линии и формирования проводящего канала

95 95 Длина проводящего канала 8 для передачи энергии в атмосфере Земли составляет 150 – 500 км, а за пределами атмосферы Земли – 500 – км. «Когда электрическая цепь, соединенная с землей и изолированной емкостью, осциллирует, два независимых различных эффекта имеют место: волны Герца излучаются в направлении под углом к оси симметрии проводника и одновременно ток распространяется через Землю. Существует большое различие между этими двумя формами движения волн по их влиянию на передачу энергии. Волны Герца представляют энергию, которая излучается и не возвращается. С другой стороны, энергия тока сохраняется и может быть возвращена, по крайне мере теоретически, полностью» [2.19]. «Это верно, что электричество от передатчика распространяется во всех направлениях через Землю и воздух, но энергия расходуется только в том месте, где она собирается и используется для совершения работы… Хотя электрические колебания возникают по всей земле, на поверхности и высоко в атмосфере, никакой мощности не потребляется. Мои эксперименты показали, что на поддержание электрических колебаний по всей планете потребуется несколько лошадиных сил… Единственные потери заключаются в энергии, излучаемой в виде электромагнитных волн Герца, и эти потери могут быть снижены до совершенно незначительной величины» [2.20].

96 96

97 97 Схема устройства для передачи электрической энергии с использованием микроволнового генератора и двух игольчатых формирователей канала

98 98

99 99 ВЫВОДЫ Наши предсказания по развитию глобальных энергетических технологий сводятся к следующему. Воздушные линии электропередачи будут заменены на подземные волноводные одно проводниковые кабельные линии. Бесконтактный высокочастотный электрический транспорт будет получать электрическую энергию от однопроводниковой резонансной линии, установленной в дорожном покрытии. На сельскохозяйственных плантациях будут работать электрические машины-роботы с активными рабочими органами. Будет создана глобальная солнечная резонансная энергетическая система, производящая электроэнергию, водородное топливо и тепло для каждого человека на Земле. Жидкое топливо и газ будут вырабатываться из биомассы энергетических плантаций с помощью резонансных одноэлектродных плазматронов. Космические корабли будут стартовать с Земли на электрических ракетных двигателях, имея отношение массы полезного груза к стартовой массе 80 – 90% вместо сегодняшних 5%. Электроснабжение летательных аппаратов в космическом пространстве и передача электрической энергии на мобильные объекты на Земле будут осуществляться резонансными беспроводными методами. Резонансные методы будут использоваться для лечения болезней человека и животных, уничтожения сорняков (вместо пестицидов), обеззараживания питьевой воды и отходов, создания новых особо чистых материалов (в первую очередь, солнечного кремния).

100 100 Доля возобновляемой энергии в мировом производстве энергии Реализация факторов развития новых технологий приведет к увеличению роли возобновляемой энергии в энергетике будущего до 60 – 70%, в электроэнергетике до 80 – 90%.