ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Возобновляемая энергетика как самостоятельная отрасль науки заявила о себе сравнительно недавно, всего несколько десятилетий назад. До этого изучение возобновляемых ресур­сов, зародившееся в древнем мире, было связано с потребностями практики и не имело призна­ков научного знания. Возобновляемые источники использовались только ограниченно, без теоретического обоснования процессов преобразования первичной энергии, установления новых представлений и систематизации накопленных знаний. С переходом к активному изучению не­традиционных энергоносителей обозначились и начали развиваться отдельные направления исследований возобновляемых источников энергии: солнечная (био- ветро- гидро- волно и ­приливно- геотермо) энергетика. Созданы и реализованы на практике различные проекты ис­пользования возобновляемых ресурсов. Хотя достигнутые успехи представляют весьма ценный вклад и свидетельствуют о непрерывном росте знаний, но этого сегодня недостаточно для развития учения о возобновляемых источниках энергии. Усиление научной составляющей возобновляемой энергетики особенно необходимо для молодых ученых, приступающих к научной деятельности в период подъема интереса к всестороннему изучению альтернативных и возобновляемых источников энергии. Характер их творчества в большинстве случаев вынужденно сводится к техническому совершенству некоторых деталей современного учения о возобновляемых источниках энергии. В таких работах не вскрываются существенно новые закономерности, затрагивающие принципиальные положения возобновляемой энергетики. Нередко приходится сталкиваться с бесплодностью исследований, сопровождающихся ошибочными заключениями. Поэтому для возобновляемой энергетики, также как и для любой другой отрасли науки и техники, актуальным является обсуждение базовых принципов построения научного знания, стратегии и тактики развития учения об использовании возобновляемых ресурсов. Не­которые соображения по этому поводу считаю целесообразным предложить для дальнейшего рассмотрения.

Существует ряд важных базовых положений, достаточных для обоснования использования возобновляемых источников энергии. В первую очередь - неуклонный рост энергоnо­требленuя. В последнее время динамика нарастания потребностей в энергии исчисляется порядком величин. Достаточно напомнить, что при росте населения Земли за 2000 лет в 25 раз, потребление энергии возросло почти в 3000 раз и достигло уровня 16 млрд. т.у.т в год. При этом именно в последнее десятилетие отмечался наибольший прирост потребления, в том числе душевого потребления энергии, которое достигло 70 ГДж на человека в год (рост потребления в среднем на 1,5% в год в прошедшие десять лет, по сравнению с 0,1%, в год за весь двадцатый, век). Запасы органического топлива, которые преимущественно используются, естественно ограничены, и наступит момент, когда запасов такого топлива будет недостаточно для покрытия энергетических потребностей. Поэтому очень важен и актуален вопрос о том, какими другими энергетическими ресурсами можно будет покрывать дефицит производства энергии.

Это должны быть источники энергии с потенциальными запасами во много раз превышающими обозримые потребности человечества.    

Другой аспект энергетической проблемы - экологический. Он определяется нарушениями окружающей среды, связанными с антропогенными воздействиями традиционных источников энергии и промышленной инфраструктурой, использующей эти энергоисточники. Поэтому ис­точники энергии, которые претендуют на роль замещения, должны быть основаны на экологически чистых технологиях.

Нельзя оставлять без внимания и географический аспект энергетической проблемы, который обусловлен пространственной неравномерностью распределения ископаемых ресурсов, что нередко является причиной конфликтных ситуаций, оказывающих существенное влияние на политическое, социальное и материальное положение людей и обостряющих вопросы энергетической безопасности государств. И здесь для альтернативы использования традиционных энергоресурсов необходимо иметь спектр разнообразных природных источников энергии с наиболее широким охватом мест распространения в различных регионах мира.

Перечисленные аспекты проблем энергетики имеют глобальный характер. В соответст­вии с принципом причинности, энергетические явления, входящие в число энергетических проблем, развиваются по закону геометрической прогрессии. Психологическая неожиданность субъективного осознания подобной закономерности хорошо иллюстрируется известной вос­точной легендой об изобретателе шахмат, который выбирая вознаграждение, попросил такое количество зерна, которое получится, если на первый квадрат шахматной доски положить одно зерно, на второй два, третий четыре и т.д. до 64 квадрата. Скромность просьбы, обернулась проблемами при выдаче вознаграждения, когда оказалось, что суммарный вес зерна на порядок превышал мировой сбора зерна. Утверждение об экспоненциальном принципе нарастания яв­лений, порождающих энергетику, справедливо и для отдельных стран, в том числе и России. Однако в России отношение к альтернативным источникам энергии гораздо более прохладное, чем в других странах. Существует устойчивое мнение, что страна обладает колоссальными за­пасами органических источников, и задумываться о каких-то новых перспективных технологи­ях с использованием возобновляемых ресурсов пока еще рано.

Мировое использование возобновляемых источников энергии в абсолютном выражении также пока относительно невысоко (4%). Но в последние пять лет темпы роста их освоения во всем мире увеличиваются со значительным опережением традиционной энергетики. В среднем рост скорость освоения и внедрения возобновляемых технологий составляет 5% в год, по срав­нению с 1% в год традиционных энергосистем. Происходит практически экспоненциальный рост числа ветроэлектростанций, фотоэлектрических преобразователей и других технологий возобновляемой энергетики.

Каковы же те источники энергии, от освоения которых можно ожидать вклада в решение проблем, стоящих перед современной энергетикой, и которые принято относить к возобнов­ляемым энергоносителям, в отличие от невозобновляемых ресурсов энергии (уголь, нефть, газ, уран и т. д.)? Согласно классическим представлениям существует три первичных источника возобновляемой энергии: энергия Солнца, Земли и гравитации. Солнечная энергия превраща­ется в низкопотенциальную энергию среды, механическую энергию движения среды, фотосин­тетическую энергию, запасаемую в биомассе. Энергия Земли - это тепловая энергия воды и по­род внутри земной коры, трансформируемая в электрическую и тепловую энергию. Энергия гравитации - энергия орбитального движения, проявляющаяся в форме приливной энергии. Суммарная энергия этих источников составляет величину порядка 10¹¹ МВт. Это валовой или теоретический потенциал. Только одна сорокамиллионная часть этой величины реально высво­бождается с помощью различных технологий и установок в полезно используемую энергию. В их числе:

Ø солнечные батареи с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую энергию;

Ø солнечные коллекторы для получения тепла;

Ø башенные солнечные станции с паротурбинным циклом и котлом, нагреваемым солнечным теплом, откуда нагретая вода поступает в паровую турбину, вращающую ротор электрогенератора;

Ø гидравлические установки, преобразующие энергию напорного движения воды в электрическую, в том числе бесплотинные микро ГЭС;

Ø ветроэнергетические станции, осуществляющие прием и преобразование энергии ветр; в электрическую энергию;

Ø биотехнологические преобразователи солнечной энергии, в которых энергия, запасенная при фотосинтезе, освобождается в полезную энергию с помощью газификации биомассы, метаногенеза, получения древесных гранул, биоэтанола, биодизельного топлива;

Ø геотермальные электростанции, превращающие в пользовательские формы энергии в тепло подземных вод;

Ø приливные и волновые станции.

Каковы же основные плюсы и минусы различных источников возобновляемой энергии? К основным положительным качествам возобновляемых источников энергии обычно относят неистощаемость; огромные запасы (экономический потенциал в мире 19,5 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.) в год при годовом потреблении первичной энергии порядка 16 млрд. т.у.т.); повсеместную распространенность большинства видов; экологическую чистоту их использования, в том числе отсутствие углеродной эмиссии и других вредных выбросов. Главные отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность порядка десятков ватт на единицу площади в отличие от традиционных систем, где плотность энергетических потоков в миллион раз больше); изменчивость во времени, несовершенство технологий. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок. Это приводит к увеличению материалоемкости подобных устройств. Случайный характер поступления первичной энергии вынуждает к использованию систем слежения, автоматического регулирования и аккумулирования энергии. Более серьезные проблемы связаны с незавершенностью некоторых технологии возобновляемой энергетики, отсутствием развитой производственной инфраструктуры. Отсюда затруднения в практическом продвижении проектов и их коммерциализации, обусловлены высокой ценой энергетического продукта.           

Возобновляемая энергетика, как и в целом энергетика, является инерционной сферой науки и техники. Освоение новых энергетических технологий и продвижение их в реальную энергетику требует десятилетий. Потому перспективу решения задач возобновляемой энергетики надо определять безотлагательно, имея в виду, что на пути освоения имеется ряд важных проблем, которые надо решить:

Ø фундаментальная проблема, связанная с разработкой теоретических положений, приводящих к созданию эффективных технологических решений;

Ø прикладная проблема, приводящая к организации на современном уровне дееспособно промышленной инфраструктуры возобновляемой энергетики;

Ø образовательная проблема, призванная оптимально решать вопросы широкой подготовки специалистов в области использования возобновляемых источников энергии;

Ø государственная проблема использования административных, законодательных и финансовых ресурсов для реальной поддержки возобновляемой энергетики.

Особо следует выделить развитие теоретических вопросов возобновляемой энергетики. Стратегически направление работ по углублению теоретической составляющей должно идти в направлении соединения различных областей научного знания и использования междисциплинарных представлений. Для ветроэнергетики, например, необходимо найти принципы объединения представлений теории материального континуума с атомистикой. От этого объединения можно получить неожиданное и новое. Имеется в виду необходимость соединения усилий специалистов из различных областей научного знания для преодоления незавершенности молеку­лярных обобщений феноменологических представлении в механике сплошных сред. В совре­менных условиях эти обобщения оказываются неадекватными для понимания и объяснения энергетики процессов турбулентности, которые, в свою очередь, связаны с поиском оптималь­ных решений для повышения эффективности утилизации энергии ветра. При этом не следует забывать, что теоретическая разработка новых технологических систем, использующих ресурс возобновляемой энергии, является задачей, требующей поиска и обоснования оптимальных конкурентоспособных технических решении, не противоречащих общим принципам науки, ко­торыми нередко пренебрегают.

В тех случаях, когда преобразование первичной энергии, связано с формированием дви­жения среды, в существующих теоретических схемах описания процессов неудовлетворитель­но учитывается положение о том, что движение органически присуще материи. Принимая движение как явление, обусловленное только начальными условиями, фактически приходится абстрагироваться от учета флуктуационных движений. В открытых системах, которыми явля­ются все источники возобновляемой энергии, при неравновесных ситуациях, необратимые процессы могут приводить к увеличению производства энтропии. Функцию роста производст­ва энтропии при этом начинают принимать на себя промежуточные пространственно ­временные флуктуации движений, осуществляющие энергообмен с основными, регулярными состояниями:

dS = dS_e +dS_i +dS_i <0.

Здесь dS_e - изменение потока энтропии (dS_e ≠ 0), dS_i - изменение энтропии за счет внут­ренних движений (dS_i≥0), dS_i^’ - изменение энтропии, связанное с флуктуационными движе­ниями (dS_i^’ < 0).Расширенная интерпретация поведения открытых неравновесных систем при­водит к принципиальному базовому положению использования возобновляемых источников энергии. Преобразование энергии открытыми системами в состояниях, отличающихся от рав­новесных, может приводить к росту минимального количества работы, которое совершит система, по сравнению с равновесными ситуациями за счет энергообмена между исходными и промежуточными пространственно -временными образованиями.

Большинство методов преобразования первичной энергии, в том числе возобновляемой, связано с равновесной термодинамикой. Она накладывает ограничения на предельные значе­ния коэффициента полезного действия. Закон сохранения энергии является фундаментальным принципом, лежащим в основе определения эффективности использования энергии солнца в установках, принцип преобразования первичной энергии в которых удовлетворяет законам классической термодинамики. Прежде всего, это относится к технологиям солнечных электро­станций с паротурбинным циклом.

Принцип преобразования действия в подобных станциях заключается в передаче от на­гревателя, получающего тепло от солнца, рабочему телу теплоты Q₁, что вызывает повышение его температуры. Рабочее тело совершает работу над каким-либо механическим уст­ройством, например, приводит во вращение турбину, и далее отдает холодильнику теплоту Q'₂, возвращаясь в исходное состояние. Наличие холодильника и передача ему части полученной от нагревателя теплоты, является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невоз­можна. Действительно, для получения механической работы необходимо наличие потока, в данном случае потока теплоты. Если же холодильник будет отсутствовать, то рабочее тело не­избежно придет в тепловое равновесие с нагревателем, и поток теплоты прекратится. В соот­ветствии с первым началом термодинамики, при осуществлении кругового процесса из-за воз­вращения рабочего тела в исходное состояние его внутренняя энергия за цикл не изменяется. Поэтому совершенная рабочим телом механическая работа равна разности подведенной и от­ веденной теплоты А = Q₁ - Q'₂. Предельное значение коэффициента полезного действия (к.п.д.) любой тепловой машины, определяемого как отношение полезной работы А к количеству теплоты Q₁, переданной от нагревателя, оказывается зависящим только от разности температур нагревателя и холодильника:

Реально в солнечных электростанциях с паротурбинным циклом полный к.п.д. достигает порядка нескольких процентов. Но никак не превышает 100%, с чем, к сожалению, приходится нередко сталкиваться в обоснованиях термодинамического цикла в проектах солнечных электростанций различных модификаций.

Аналогичная ситуация возникает в ветроэнергетических проектах, когда сообщается о достижении высоких значений коэффициентов преобразования ветровой энергии, вне соответствия базовому принципу ветроэнергетики Жуковского-Бетца. Этот принцип Н.Е. Жуковский обосновал в 1914 г., А. Бетц - в 1926 г. в книге «Энергия ветра и ее использование посредством ветряков».

Из рассмотрения энергетического соотношения воздушной струи, попадающей в ветряк, было получено, насколько эту струю надо затормозить, чтобы получить максимум мощность. Оказалось, что скорость ветра в плоскости ветряка должна составлять 0,593 от скорости ветра. Мощность ветряного колеса данного диаметра не может быть повышена беспредельно по мере увеличения площади крыльев. Размеры диаметра колеса определяют верхний предел мощности. Так как быстроходность ветроколес обратно пропорциональна площади поверхности лопастей, то предел по увеличению быстроходности должен ограничиваться ростом потерь энергии.

Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии электрическую энергию является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане.

 Тем не менее, вопрос об эффективности использования солнечного излучения для солнечных батарей не снимается с повестки дня научных исследований. Впервые на перспективность его определения обратил внимание еще в 30-е годы академик А.Ф. Иоффе. В то время к.п.д. солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии этот показатель увеличился до 20--25%. Практически все заводы в России и за рубежом выпускают солнечные элементы с к.п.д. 14-17%.

Толщина солнечного элемента и в значительной степени его стоимость, определяемая стоимостью материала и затратами на его изготовление, зависят от его способности поглощать падающий на него солнечный свет. Физические принципы, характеризующие поглощательную способность солнечного элемента и к.п.д. преобразования энергии, зависят от двух факторов: ширины запрещенной зоны и коэффициента поглощения. Ширина такой зоны определяет по­роговую величину энергии солнечного излучения, с которой начинается поглощение света. Та­кие материалы, как кремний, арсенид галлия и другие выбираются для изготовления солнеч­ных элементов именно потому, что они начинают поглощать свет с достаточно большой длиной волны. Следовательно, они могут преобразовывать в электричество значительную долю поступающего солнечного излучения. Поглощение света различными полупроводниковыми материалами достигает наибольшей величины при разных толщинах пластин - от 100 до 1 мкм и менее. Так называемые тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются из мате­риалов, которые поглощают свет при толщине слоя порядка микрометра, что позволяет значи­тельно снизить расход материалов и стоимость изготовления элементов. В России и за рубе­жом разрабатываются солнечные элементы, использующие новые материалы и структуры позволяющие достигать предельные значения к.п.д. до 93%. Основные усилия направлены на использование всего спектра солнечного излучения с осуществлением принципа, согласно ко­торому каждый фотон должен поглощаться в полупроводнике с запрещенной зоной, ширина которой соответствует энергии этого фотона. Для этого разрабатываются: каскадные солнеч­ные элементы из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; солнечные элементы с переменной шириной запрещенной зоны (запрещенная зона в полупроводнике нaxoдится между валентной зоной и зоной проводимости и определяет длинноволновую границу фотоэффекта); солнечные элементы с примесными энергетическими уровнями в запрещенной зоне (примесные энергетические уровни в запрещенной зоне позволяют увеличивать длинно-волновую границу фотоэффекта за счет многофотонного поглощения). Другие подходы к повышению к.п.д. солнечных элементов связаны с использованием концентрированного солнечного излучения, созданием полимерных солнечных элементов, а также наноструктур на основе кремния и фуллеренов.

Есть основания для увеличения к.п.д. солнечных элементов промышленного изготовления на основе каскадных гетероструктур до 26-30%, кремниевых - до 22%.                                                        

Реализацию принципов, на которых основана возобновляемая энергетика, можно проследить, обратившись к методологии научного знания и небольшой пока истории освоения некоторых видов возобновляемых источников энергии в России.

Довоенное время освоения возобновляемых источников энергии фактически связано с созданием по решению Г.М. Кржижановского в ЭНИН группы и - позже - лабораторий по использованию солнечной энергии и геотермальной энергии. В ЦАГИ начались разработки ветроэнергетических станций, в Гидропроекте - приливных электростанций, а во Всесоюзном научно-исследовательском институте источников тока - фотоэлектрических преобразователей. Однако до мирового энергетического кризиса 70-х годов прошлого столетия работы в указанных учреждениях велись инициативно, без государственного управления. И только, начиная с сере­дины 80-х годов прошлого столетия, были разработаны государственные мероприятия по увеличению использования нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве. Большой вклад в разработку мер государственной поддержки освоения возобновляемых источников энергии внесли профессор П.П.Безруких, работавший в то время в бюро Совета Министров по топливно-энергетическому комплексу и член-корр. РАН Э.Э.Шпильрайн. После принятия ряда государственных программ были созданы производственные и научные коллективы, которыми разработаны опытные образцы установок возобновляемой энергетики. Тогда же в Крыму была построена и передана в опытную эксплуатацию башенная солнечная электростанция СЭС-5. Станция характеризовалась следующими параметрами: номинальная мощность – 5 МВт, температура пара - 250⁰С, давление пара - 40 атм.; высота башни - 75 м; количество гелиостатов - 1600; площадь гелиостата - 25м², удельные капитальные вложения 1200 долларов США/кВт. После распада СССР работа солнечной станции СЭС-5 прекратилась. Работы, выполняемые по государственным заказам, в 1990-е годы затормозились, а в дальнейшем стали развиваться уже без государственной поддержки и управления.

Солнечная энергетика развивалась по двум направлениям: получение тепла и электроэнер­гии. В настоящее время солнечные тепловые установки на уровне лучших мировых образцов производятся и в России; объем выпускаемых коллекторов в России находится на уровне 8-10 тысяч м² в год. Говоря о развитии фотоэнергетики в России, следует отметить вклад осно­воположников разработки наземных систем профессора Б.В. Тарнижевского и профессора Д.С. Стребкова.. В числе первых в мире комплексов, работавших исключительно на солнечной энергии, следует упомянуть фотоэлектрическую установку для водоподъема мощностью 0,5 кВт в Туркмении, созданную в пустыне Кара-Кум в 1960-е годы.

Фотоэлементы и модули с к.п.д. 14-15% изготавливаются рядом предприятий России, в том числе Всероссийским институтом электрификации сельского хозяйства, НПП «Квант». В Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук под руководством академика РАН Ж.И. Алферова выполнены фундаментальные исследования, по результатам которых созданы фотоэлектрические элементы с многослойными структурами на основе арсе­нида галлия с к.п.д., превышающим 20%.

Использование энергии ветра берет начало с ветряных мельниц, которые перерабатывали почти половину урожая зерновых в стране. Эти мельницы были сделаны из дерева, диаметр ветроколеса не превышал 12 м. В 1933 г. была создана ветряная мельница с диметром ветроко­леса 16 м. и мощностью до 20 л.с. В 1931 г. около Балаклавы (Крым) введена в эксплуатацию ветроэнергетическая станция, которая работала параллельно с тепловой электростанцией вплоть до 1941 г., когда она была разрушена при оккупации Крыма. Опорная конструкция ветродвига­теля (мачта) была построена по проекту В.Т. Шухова. Ветроагрегат с диаметром колеса 30 м. и мощностью асинхронного генератора 100 кВт был на то время самым мощным в мире (мощ­ность ветроагрегатов в Дании и Германии была в пределах 50-70 кВт с диаметром колеса до 24 м.). В 1990-е п. были начаты разработки ветроэнергетических станций мощностью 250 и 1000 кВт. Сегодня в работе находится ряд ветроэнергетических станций в Калининградской об­ласти, на Камчатке, Чукотке, Воркуте.

Гидроэнергетика начиналась с малых ГЭС, водяных мельниц и водяных колес. В России экономический потенциал малых и микроГЭС использован примерно на 0,5%, т.к. число ма­лых ГЭС с 5 тыс. В 1950-х годах сократилось до 300 в 1990-х годах. Сейчас начинается процесс восстановления разрушенных и строительства новых малых и микроГЭС. Эти работы в по­следнее время успешно развиваются в МНТО «ИНСЭТ» (генеральный директор Я.И. Бляшко), которое поставляет оборудование в Россию, а также в ряд зарубежных стран, выпускает мик­роГЭС от 10 до 100 кВт И оборудование для малых ГЭС мощностью до 10 МВт. Гидроэнерге­тика невысоких мощностей относится к наиболее практически продвинутым направлениям во­зобновляемой энергетики в России.            

В направлении использования биомассы в 80-90 годах в России и ряде республик СССР создавались биоэнергетические установки по переработке отходов животноводства и птицеводства отечественного и зарубежного производства. Получило развитие производство индивидуальных биогазовых установок для фермерских хозяйств. За последние годы произведено более 100 комплектов биогазовых установок, на которых кроме биогаза, производятся удобрения, чем и определяется их коммерческая привлекательность. За последние 5-6 лет развилось новое для России направление использования биомассы - производство древесных и торфяных гранул (пеллет); создано порядка 70 предприятий по производству пеллет (Республика Коми, Карелия, Московская, Ленинградская области).

Остановлюсь на некоторых результатах научно-исследовательских работ, проводимых на географическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова. Двадцать лет назад в Московском университете было принято решение об организации на базе географического факультета специализированного научного подразделения: научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ). Основателем лаборатории и ее первым заведующим был видный ученый, доктор физико-математических наук, профессор В.В. Алексеев (1940-2007 гг.). Научная деятельность В.В. Алексеева охватывала широкий круг вопросов энергетики, рационального использования природных ресурсов, системного анализа экономических проблем энергетики. Он начал свою творческую деятельность на физическом факультете Московского университета. После защиты докторской диссертации, в то время, когда для большинства ученых возобновляемая энергетика представлялась частным направлением техники, не имеющим существенных научных перспектив, по его инициативе и поддержке П.П. Безруких, на географическом факультете Московского университета была создана НИЛ ВИЭ.               

Свойственное В.В. Алексееву чувство нового и умение оценить потенциал новых идей способствовали постановке исследований по целому ряду проблем, оказавших в дальнейшем заметное влияние на развитие учения о возобновляемых источниках энергии. Можно назвать следующие направления научных разработок, осуществлявшихся под руководством В.В. Алексеева: комплексная оценка влияния объектов энергетики на окружающую среду; исследования энергоотдачи в отраслях топливно-энергетического комплекса на основе метода межотраслевого баланса; оценка энергоотдачи возобновляемых источников энергии; моделирование поведения морских экосистем; разработка системы «Биосоляр» для выращивания микроводорослей с целью биоконверсии солнечной энергии; теоретические и экспериментальные исследования процессов извлечения пресной воды из атмосферного воздуха.

Рис. 1. Солнечные батареи на крыше здания Академии наук России в Москве.

В настоящее время лаборатория возобновляемых источников энергии продолжает проводить комплексные исследования по проблемам возобновляемой энергетики. Основное на правление работ связано с развитием фундаментальной составляющей исследований в области возобновляемой энергетики. Приоритетным проектом для фундаментальных исследований является разработка концептуальной основы микроводорослевой биоконверсии солнечной энергии. Следует отметить, что в конце 80-х годов ХХ века в связи с развитием космических проектов, водорослевая энергетика рассматривалась как одно из перспективных направлений решения энергетических проблем. Основанием для этого служила точка зрения, согласно которой традиционные источники энергии - нефть, уголь, газ - образовались в результате фотосинтетической деятельности водорослей. Основная задача заключалась в том, чтобы найти способ существенного ускорения процесса искусственного создания углеводородного топлива как аналога природного, осуществляющегося миллионы лет.

В связи с этим были организованы экспериментальные работы с высокоурожайной микроводорослью спирулиной платенсис. Были получены такие штаммы культуры, которые можно было выращивать в больших объемах, что ранее не удавалось. Показано, что путем отбора продуктивных микроводорослей можно добиться заметного временного сокращения процесса первичной аккумуляции и последующего преобразования солнечной энергии в биогаз. В процессе теоретических и экспериментальных работ были сформулированы и апробированы кон­цептуальные положения, определяющие эффективность микроводорослевых преобразователей солнечной энергии: условие замкнутости системы по элементам питания; возможность увели­чения коэффициента преобразования солнечной энергии в энергию биомассы. В закрытом грунте ряда тепличных комплексов России, Украины, Молдавии, Эстонии спирулина культивировалась по технологии и с посевным материалом НИЛ ВИЭ на значительных площадях (несколько гектаров) с урожайностью до 15 тонн с гектара по сухому весу. В Крыму, где проводились экспериментальные работы лаборатории, при падающей радиации 1900 кВтч/м² в течение года с плантации спирулины площадью 70м был достигнут энергетический выход биогаза в количестве одной тонны условного топлива.

Проект промышленного производство биогаза (метана) из микроводорослей, , выращивае­мых на водных плантациях, получил название «Биосоляр». К сожалению, практической реали­зации проект производства микроводорослевого биогаза не получил. Вместе с тем водоросле­вое направление работ лаборатории нашло свое продолжение в исследованиях пищевой со­ставляющей энергии водорослевой биомассы. Было убедительно доказано, что небольшие до­бавки спирулины к пище для любого пользователя продуктов позволяют составить приемле­мую в экономическом и оздоровляющем отношении схему питания. В результате этого созда­ются условия для эффективного использования произведенных продуктов питания и эконо­мичного расходования энергетических ресурсов, необходимых для их создания.

В последующем научно-исследовательский аспект работы лаборатории в области биологи­ческой конверсии солнечного излучения получил заметный импульс в направлении селекцииновых штаммов микроводоросли Arthrospira platensis (Nordst.) Geitl. Показано, что благода­ря их использованию, можно повысить скорость роста культуры, а также сохранить морфоло­гическую стабильность водорослей в процессе длительного культивирования.

Географическая направленность работ лаборатории определила разработку картографиче­ской оценки ресурсов возобновляемых источников энергии. Актуальность этих работ связана с тем, что для разработки и эффективного применения солнечных, ветровых и иных установок необходимо обладать надежной и по возможности детальной информацией о ресурсах ВИЭ в различных регионах России в разные периоды года. Использование информации существую­щей сети российских актинометрических и метеорологических станций в ряде случаев не обес­печивает надежных данных для районирования территории России для оценки ресурсов ВИЭ. Так, при площади территории России 17 млн. км² среднее расстояние между актинометриче­скими станциями составляет около 500 км, а с учетом неравномерной плотности их размещения среднее расстояние между станциями в азиатской части России достигает 1000 км, в то время как данные измерений с приемлемой погрешностью могут распространяться на расстояние не более 100-130 км от метеостанции.

Появление источников климатической информации, основанных на многолетних спутниковых наблюдениях за поверхностью земного шара, предоставило возможность получения более детальных данных. В качестве такого источника была использована база данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (SSE). Формирование этой базы данных основывалось м проведении спутниковых и наземных измерений, использовании современных математических моделей и верификации моделей на основе сравнения результатов расчетов и данных наземных измерений. Были проведены исследования точности данных NASA для территории России данных метеообсерватории МГУ, актинометрических станций южного федерального округа Забайкалья и др. С использованием базы данных NASA были построены карты распределения поступлений солнечного излучения по территории России и некоторых Российских регионов по месяцам и для всего года, а также для различных углов наклона приемной поверхности южной ориентации к горизонту.      Большой объем теоретических и экспериментальных работ лаборатории, выполненных под руководством профессора В.В.Алексеева, связан с разработкой концепции получения пресной воды из атмосферного воздуха. В основу метода извлечения воды из влажного атмосферного воздуха были положены новые принципы - капиллярной конденсации на развитой поверхности специального конденсирующего материала за счет организованных конвективных потоков влажного атмосферного воздуха при естественных метеорологических условиях. Экспериментальный образец установки «Роса», который был построен в НПО «Тайфун», показал, что фундаментальные положения, использованные в этом «водном» проекте лаборатории, подтверждают практическую реализуемость технологии. Главные достигнутые результаты: создана физико-математическая и эколого-географическая модель эффективного производства пресной воды из атмосферного воздуха; подготовлена техническая документация на строительство промышленных систем получения воды в тропических регионах.

Рис. 2. Распределение солнечной энергии по поверхности Земного шара.

В последние годы начаты работы в направлении поиска эффективных процессов концентрации энергии потоками текучей среды, нагретой солнечным излучением. Разработки энергетических установок, получивших название "solar chimney" - солнечная труба - появились более 100 лет назад. Первая электростанция с искусственным ветром от солнечного тепла была введена в эксплуатацию в конце 80-х годов в Испании. Искусственный ветер в этой электростанции представлял собой концентрируемый в тяговой трубе прямоточный восходящий конвективный поток воздуха. Для прямоточного воздушного потока практически значимые значения коэффициента преобразования солнечной энергии можно получить с трубой высотой порядка сотен метров и солнечным коллектором площадью несколько десятков квадратных километров. Несмотря на низкую эффективность генерации электрической энергии, аналогичная конструкция солнечно-ветровой электростанции, в последнее время предложена для реализации в более крупном масштабе с выходом на мощность 200 МВт В Австралии.

Австралийская энергосистема не устраняет прямо пропорциональную зависимость мощности, размеров и эффективности. В исследованиях лаборатории ВИЭ, за основу концепций преобразования тепловой энергии потоками были положены принципы преобразования энергии, свойственные открытым системам, находящимся в неравновесных состояниях. Предложен переход от прямоточных потенциальных течений к закрученным вихревым потокам, инициированным солнечным нагревом. Показано, что решение проблемы роста энергоотдачи тепловой энергии течениям может быть достигнуто на пути создания граничных условий сосредоточенного взаимодействия течений с источниками солнечного тепла. Теоретическое обоснование предложенных видоизменений энергоустановок «солнечная труба» с учетом принципа сосуществования тепловых и механических видов движения показало, что закрутка конвективной струи, неоднородное распределение горизонтальной разности температур коллектора позволяют, по крайней мере на порядок, увеличивать долю лучистой энергии, преобразуемой в энер­гию вращающихся течений при вертикальной и горизонтальной конвекции. Для эксперимен­тального изучения подобных энергосистем выполнен комплекс лабораторных исследований аэродинамических и тепловых характеристик макетов испарительных градирен электростан­ций. По результатам исследований установлено, что переход к вихревому, турбулизированному течению, входящему в подоросительное пространство, позволяет на 2,5% повышать коэффициент тепловой эффективности, что за счет большего снижения температуры дает экономию топливных ресурсов электростанций. Одновременно показано, что при установке ветро­турбины в градирне может быть осуществлено производство электрической энергии с к.п.д. 2-3%.