Среди тех, кто занимается вопросами энерго- и ресурсосбережения, доктор технических наук, профессор кафедры электрических станций, сетей и систем электроснабжения Ирина Кирпичникова.
Гелиоэнергетика: проблемы и перспективы
– Возобновляемыми (альтернативными, или нетрадиционными) источниками энергии, в первую очередь, гелиоэнергетикой, то есть солнечной энергетикой, я занимаюсь давно, – рассказывает Ирина Михайловна. – Эта тематика широко обсуждается в научных кругах и СМИ. Ещё наш известный учёный, лауреат Нобелевской премии, Жорес Алфёров предрекал, что к концу XXI века солнечная энергетика займёт лидирующие позиции. По мнению специалистов Европейской ассоциации солнечной энергетики, суммарная мощность всех гелиоэлектростанций в мире к 2025 году будет равняться 255 гигаватт (гигаватт = 109 ватт). Это много. При этом к концу 2022 года суммарная мощность всех гелиоэлектростанций в мире уже достигла 240 гигаватт. Как видим, развитие идёт стремительно. Лидер в этой области – Китай, который занимает ведущие позиции и во многих других сферах. Там, кстати, интенсивно развиваются гидроэнергетика, ветроэнергетика, атомная энергетика. В КНР строят электростанции – бурно растущей экономике необходима электрическая энергия. Для этой сферы нужны специалисты. В ЮУрГУ как раз есть профиль «Возобновляемая энергетика» – созданный нами, на нашей кафедре. Поэтому в университете на бакалавриате много студентов из Китая. Учатся уже третий год, пишут научные статьи, защищают выпускные квалификационные работы, развиваются и хотят получать знания. Например, не так давно мы совместно со студентами из Китая Сюй Минсином и Фань Фэнжуем и моим аспирантом Сергеем Шипиловым опубликовали статью «Энергосберегающая система освещения помещений с использованием солнечных световодов». Она посвящена анализу возможности применения солнечных световодов на территории Южного Урала и в одной из провинций КНР.
Где в зданиях могут понадобиться световоды? Там, где нет окон: например, в подвалах, на подземных парковках. Электрические лампы в подобных помещениях расходуют очень много энергии. Световоды в таких случаях экономичнее, да и свет их меньше вредит зрению. Статья опубликована в научно-техническом журнале «Энергобезопасность и энергосбережение», входящем в список ВАК.
Солнечная энергетика в последние 30–40 лет развивается довольно быстро. Это происходит и в Китае, и в США и других странах. В России строительство крупных солнечных электростанций началось сравнительно недавно. Но везде рано или поздно возникают определённые проблемы, связанные с деградацией фотоэлектрических модулей, то есть снижением выработки электроэнергии. Обычно производители дают на свою продукцию гарантию 25–35 лет, после чего мощность батарей падает до 50–60%, то есть происходит их деградация, и если она необратимая, то требуется утилизация модулей. И вот тут появляется новая проблема, заключающаяся в пока ещё несовершенной технологии переработки. В случае обратимой деградации можно продлить срок работы модулей с помощью специальных устройств. Причины снижения эффективности и, в конечном итоге, деградации солнечных модулей – перегрев и загрязнение их поверхности. Именно изучением этих факторов и разработкой устройств, предотвращающих снижение генерации по данной причине, мы и занимаемся.
Спасти от перегрева
Решению научных вопросов снижения деградации посвящены темы диссертационных работ аспирантов и соискателей. Аспирант Владимир Заварухин занимается прогнозированием процессов деградации, Дмитрий Эвок моделирует процесс снижения температуры поверхности модулей с целью разработки эффективного устройства защиты от перегрева. Казалось бы, в жарких странах солнечные батареи должны работать лучше, чем в России: там солнечных дней больше. Но при температуре выше +25°С каждый лишний градус тепла снижает генерацию электроэнергии в среднем на 0,47%. Поэтому, например, в Африке из-за высоких температур производительность солнечных батарей падает – а вот в Якутии проблема перегрева не возникает. В посёлке Батагай Верхоянского района Якутии солнечная электрическая станция (СЭС) действует с 2015 года. До 2022 года она была крупнейшей подобной электростанцией за Северным полярным кругом. Но, разумеется, поскольку ясных дней в России меньше, круглый год вырабатывать электроэнергию с помощью солнечных батарей невозможно. Интересно, что в Якутии используют двусторонние панели: одна сторона «ловит» прямые солнечные лучи, а вторая – отражённые от снега и льда. Тут сложность в том, чтобы лучи Солнца падали на панели перпендикулярно, иначе электроэнергия будет вырабатываться неэффективно. Поэтому на СЭС требуется использовать систему ориентации модулей, «следящую» за движением Солнца. Такая система трекинга на базе сферического параллельного манипулятора была разработана и защищена в прошлом году моим аспирантом Андреем Сологубовым. Работа весьма перспективная, система слежения может быть использована, в частности, в телескопах, системах радиолокации, астрофизике.
В странах с жарким климатом для солнечных батарей необходимы системы охлаждения. Перегрелись панели – генерация упала, и их просто отключили. И простаивают батареи без пользы. Так на самом деле бывает не только в Африке. Например, у нас в Оренбургской области летом жара – и это проблема для Орской СЭС.
Как охлаждать? Идей много, систем много, но они недостаточно эффективны. Например, можно погрузить панели в воду. Но представьте, сколько потребуется воды, чтобы охладить каждую панель, если площадь солнечной электростанции – как несколько футбольных полей. Нужны целые бассейны! Причём вода требуется чистая, без примесей, с низким уровнем жёсткости – а запасы пресной воды на планете ограничены! Кстати, до использования воду нужно очистить, а после – опять очистить от пыли, чтобы употребить повторно. Получается очень дорого! А сколько необходимо воды, чтобы охладить все солнечные электростанции в мире? Сколько миллионов людей её недополучат? Морскую воду использовать нельзя: образуются солевые отложения, а где соль, там и коррозия.
Теоретически можно было бы охлаждать с помощью вентиляторов, но представьте: поставили мы у каждой солнечной панели вентилятор, а где брать для него электроэнергию? От этой же СЭС? А сколько от них шума! Идея заранее обречена на провал.
С моим бывшим аспирантом из Таджикистана Илхомом Махсумовым (защитился в 2021 году) мы придумали специальную голографическую плёнку, которая наклеивается на поверхность солнечного модуля. Внутри плёнки – концентраторы солнечной энергии в виде мельчайших пирамидок. Верхний слой отражает инфракрасные (тепловые) лучи. А видимые лучи проникают внутрь плёнки, проходят через призмы-пирамидки, преломляются, концентрируются и попадают на солнечные элементы модуля. Таким образом, одновременно и защищаем модули от перегрева, и увеличиваем плотность солнечного излучения.
Способ мы запатентовали. И сразу же нас стали забрасывать предложениями из разных стран: Китая, Малайзии, Индии… Все хотят наладить производство у себя. Там гелиоэнергетика развита и продолжает развиваться, и такие плёнки крайне необходимы. Но мы считаем, что производство нужно наладить именно в России. Стали искать производителя, который бы за это взялся. Но тут-то и столкнулись с трудностями. Это ведь не обычная дешёвая голографическая плёнка. Она должна прослужить минимум три года – но при этом не быть запредельно дорогой. Пока что нашли одно предприятие, налаживаем сотрудничество. Экспериментальный образец получен. Но его нужно довести до уровня промышленного образца.
Эту идею подхватили магистранты. Цель – изучить вопросы доведения разработки до промышленного производства. Недавно магистрант Данил Буйлаков подал заявку по данной теме на грант по программе «УМНИК». Надеюсь, всё получится!
Есть ли альтернатива?
Существуют солнечные электростанции, где не используются фотоэлементы. Упрощённо принцип такой: солнечные лучи нагревают теплоноситель до параметров, пригодных к использованию в парогенераторе. То есть на обычной тепловой электростанции сжигается углеводородное топливо (уголь, мазут, торф), нагревается вода, пар вращает турбину, а она, в свою очередь – генератор, вырабатывается электрическая энергия. А на солнечных электростанциях, не использующих фотоэлементы, воду или другой теплоноситель нагревают солнечные лучи. Например, есть башенные СЭС – довольно крупные сооружения. В центре такой станции – огромная, в десятки метров высотой башня. На её вершине – резервуар с теплоносителем. Вокруг башни – гелиостаты, это зеркала, каждое площадью в несколько квадратных метров, закреплённые на опоре и подключённые к общей системе позиционирования. В зависимости от положения светила зеркала меняют своё положение в пространстве так, чтобы в любой момент все отражённые от них лучи попадали на резервуар. Далее происходит термодинамический процесс преобразования солнечной энергии в электрическую. Но такие электростанции хороши для жарких стран, в нашем климате их строить невыгодно. Первую солнечную электростанцию башенного типа в Советском Союзе построили в Крыму, но после распада СССР она была реконструирована.
Вообще же использование солнечной энергии весьма интересно и перспективно. Например, в советское время в Узбекистане была создана солнечная печь. Лучи в ней отражаются зеркалами, концентрируются – и очень быстро достигается температура свыше 3000°С, достаточная для того, чтобы плавить металл. И при этом не образуется ни продуктов горения, ни других веществ, вредных для окружающей среды.
Боремся за чистоту
В рамках обозначенной проблемы борьбы с деградацией модулей мы занимаемся и вопросами защиты их от загрязнения. Анализ разных источников показывает, что за рубежом эта тема исследуется активно, вплоть до изучения состава пыли. Но конкретных решений мало! Кто-то также предлагает использовать воду, кто-то разрабатывает механизмы для встряхивания солнечных панелей. Но это довольно сложный способ. Нужен метод достаточно надёжный, эффективный и недорогой.
Источников загрязнений много: например, естественная грязь, пыль, песок (особо опасны пылевые бури) или выбросы промышленных предприятий. Даже случайно упавший на солнечную панель и приклеившийся к ней листочек или травинка может привести к деградации из-за затенения. Как результат одна или две ячейки фотопанели выходят из строя. Крайне опасна мелкодисперсная пыль (в городах её полно), которая забивается во все отверстия. Она коварнее, чем песок, так как проникает глубоко в структуру модуля и вызывает его разрушение.
Очистка панелей – дело трудоёмкое и долгое. Вот, например, Орская солнечная электростанция: сто тысяч панелей на площади 80 гектаров – и все надо чистить, иначе батареи выйдут из строя! Лучший выход – сделать так, чтобы пыль вообще не садилась на панели. Но как этого добиться? Если, например, закрыть панели сверху стеклом, то их производительность упадёт: стекло задержит до половины солнечных лучей. Это серьёзная проблема.
Мы запатентовали устройство для предотвращения загрязнения и деградации солнечных модулей. Принцип его действия основан на использовании физических свойств частиц пыли: у каждой пылинки есть электрический заряд. Сверху на панели устанавливается специальная решётка, на нее подается высокое напряжение с отрицательным и положительным потенциалом. При попадании частиц пыли в область действия электрического поля они осаждаются на соответствующих элементах устройства, не достигая поверхности модуля. Этой теме посвящена кандидатская диссертация моей аспирантки Валерии Юзиковой, её защита состоится в нынешнем году, 28 марта. Создана полезная модель, которая успешно прошла испытания на одном из промышленных предприятий Челябинска. Планируем развивать эту тему, так как появилось много интересных направлений исследования.
Сотрудники и ученики
По теме альтернативной энергетики сотрудничаем с рядом вузов и других научных центров. В их числе Московский государственный технический университет (МГТУ) имени Н.Э. Баумана, Московский энергетический институт, кафедра атомных электростанций и возобновляемых источников энергии Уральского федерального университета, Кубанский государственный аграрный университет. Каждый из них обладает современными научными лабораториями, где проводятся уникальные исследования.
Поскольку тема, которой мы занимаемся, весьма актуальна, получаем приглашения от вузов и научных организаций с просьбой рассказать о наших результатах. Так, в июне 2023 года в Кубанском государственном аграрном университете прошла международная конференция, где я делала доклад, получивший много положительных отзывов. Для солнечного Краснодара проблема защиты модулей от перегрева и затенения весьма актуальна, и меня пригласили стать членом экспертного совета Кубанского научного фонда (КНФ).
В Институте энергетики Таджикистана я докладывала и о наших разработках, и о работах, которые ведутся в Академии электротехнических наук Российской Федерации, членом-корреспондентом которой я являюсь. Намечены пути сотрудничества в области использования солнечной энергии. Кстати, мой бывший аспирант Илхом Махсумов, о котором говорила выше, в Институте энергетики у себя на родине возглавляет кафедру альтернативных источников энергии и продолжает заниматься наукой. У нас вышло несколько совместных статей на русском и английском языках, в том числе и в высокорейтинговых журналах. Очень радует, когда после защиты диссертации исследовательская работа не заканчивается.
Тема использования чистой энергии очень важна и для Казахстана. Я являюсь консультантом по подготовке PhD диссертации для соискателя из Костанайского регионального университета имени А. Байтурсынова. Тема посвящена применению устройств преобразования солнечной энергии в процессах сельского хозяйства республики.
Два года назад в рамках Программы 5-100 была начата интересная работа по утилизации выбросов СО2 на тепловых электростанциях, с использованием биореакторов. Совместно с PhD, профессором Хесамом Камьябом из Малайзии были получены теоретические результаты, опубликовано несколько совместных статей. Откликом на материалы этих работ стало недавнее обращение к нам одной сербской фирмы с предложением сотрудничества. Тема также является очень перспективной в разрезе снижения карбонового следа, и я надеюсь, что наше взаимодействие с зарубежными коллегами продолжится, а для реализации проектов появится команда молодых учёных и специалистов.
В настоящее время у нас в ЮУрГУ сложилась хорошая команда исследователей, занимающихся темой возобновляемых источников энергии. Собираемся регулярно, обсуждаем, что сделано, что нужно сделать, как реализовать задуманное. Сейчас у меня пять аспирантов и зарубежный соискатель – хорошие, нацеленные на результат ученики. Надеюсь, в скором времени выйдут на защиту.
К сожалению, в ЮУрГУ нет профильного диссертационного совета, поэтому защиты проходят в Уральском федеральном университете. Хотелось бы, чтобы в нашем вузе появился свой диссертационный совет по этому направлению. Тем более что по теме альтернативной энергетики аспирантов готовят и другие профессора Политехнического института ЮУрГУ. Так что задачи стоят серьёзные – будем работать!