22 июня исполняется 70 лет со дня рождения Олега Сергеевича Попеля - доктора технических наук, главного научного сотрудника - руководителя Научно-исследовательского центра “Физико-технические проблемы энергетики” Объединенного института высоких температур РАН, заместителя председателя Научного совета Отделения энергетики, машиностроения и процессов управления Российской Академии Наук по нетрадиционной возобновляемой энергетике, члена Редакционной коллегии журнала “Теплоэнергетика”.
Олег Сергеевич - окончил Московский энергетический институт по специальности “Инженерная теплофизика” в 1971 г. После окончания аспирантуры работает в Объединенном институте высоких температур РАН, где прошел путь от научного сотрудника до заместителя директора института по научной работе, главного научного сотрудника.
О.С. Попель - известный ученый, им выполнены исследования в области магнитной газодинамики и термоядерного синтеза с лазерным инициированием. Под руководством О.С. Попеля разработан и создан ряд экспериментальных объектов с солнечным, ветровым и теплонасосоными системами энергоснабжения, в том числе жилые дома с солнечным теплоснабжением в Дагестане и Армении, разработаны системы энергоснабжения Специальной астрофизической обсерватории в пос. Архыз на Северном Кавказе с использованием возобновляемых источников энергии и современных энергосберегающих технологий, выполнены разработки гибридных и полностью автономных солнечно-ветровых установок с различными накопителями энергии и многих других объектов и систем.
Олег Сергеевич принимает активное участие в проведении исследований по распределению ресурсов солнечной энергии на территории России, которое было обобщенно в “Атласе ресурсов солнечной энергии на территории России” (2011 г.), “Атласе ресурсов возобновляемой энергии на территории России” (2015 г.) и Геоинформационной системе “Возобновляемые источники энергии России” - www.gisre.ru . Эти результаты являются основой для выбора эффективных площадок сооружения солнечных электростанций и автономных солнечно-дизельных энергоустановок в России.
О.С. Попелем разработаны методы математического моделирования функционирования фотоэлектрических энергоустановок и оптимизации их конфигураций и состава оборудования с учетом климатических условий эксплуатации и графиков нагрузки, ставшие основой для проектирования и обоснования выработки и технико-экономических показателей фотоэлектрических электростанций.
В 2011 году Олег Сергеевич Попель удостоен звания лауреата Премии Правительства Российской Федерации за работу “Разработка и внедрение эффективных технологий использования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии в малой энергетике”.
Олег Сергеевич - член совета по грантам при Правительстве, руководителем экспертной группы по энергетике Минобранауки России, руководитель Рабочей группы Научно-координационного совета ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы” по приоритетному направлению “Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика”, руководитель Экспертного совета Технологической платформы “Малая распределенная энергетика”, членом Экспертных советов Технологической платформы “Перспективные технологии возобновляемой энергетики”, Фонда “Сколково”, РФФИ, является членом редколлегии журналов “Альтернативная энергетика и экология” и “Энергия: экономика, техника, экология”.
Олег Сергеевич Попель - один из ключевых организаторов Международного Конгресса REENCON “Возобновляемая энергетика — XXI век: энергетическая и экономическая эффективность”. Имея большой опыт международного сотрудничества, Олег Сергеевич приглашается, в качестве эксперта ЕЭК ООН, научных программ Европейского союза, в качестве научного консультанта в научные центры Кубы, Мексики, Южной Кореи и др. стран. Олег Сергеевич, как invited professor в Ulster University (UK), участвует в совместных проектах с научными центрами Германии (DLR), Испании (CIEMAT), США (SNL), Ю. Кореи (KIER) и др. в рамках международных программ и контрактов.
Уважаемый Олег Сергеевич! Поздравляем Вас со знаменательной датой - 70-летием со дня рождения!
От Редакционной коллегии, редакции журнала примите искренние пожелания крепкого здоровья, счастья, радости, семейного благополучия, удач и новых свершений в научной деятельности. Уверены, что Ваша неиссякаемая энергия принесет еще много пользы делу, которому Вы посвятили всю жизнь, приумножая и улучшая результаты. Желаем Вам и Вашим близким, всегда "возобновляемой энергии"!
Рациональное использование природных ресурсов, разработка и реализация технических решений для создания инфраструктуры – не только сложная научная и инженерная задача, но и потенциальная возможность развития отечественных высоких технологий и усиления экспортного потенциала страны. Транспортная доступность и суровые климатические условия – одни из ключевых проблем освоения региона. Сегодня энергетика региона построена преимущественно на использовании горючего топлива, потребляемого дизель-электрическими станциями и, реже, газотурбинными установками. Для нужд теплоснабжения используются уголь, мазут, древесина. Значительная доля энергоносителей завозится из других регионов.
Один из способов снижения затрат на доставку топлива в удаленные районы Арктической зоны РФ и повышения их энергетической безопасности – использование местных энергоресурсов, прежде всего энергии ветра, солнца, малых рек и биомассы. В последние годы технологии использования этих возобновляемых источников энергии (ВИЭ) получили значительное развитие и продемонстрировали конкурентоспособность по отношению к традиционным энерготехнологиям, базирующимся на использовании ископаемых топлив. При этом необходимо учитывать неоднородность распределения указанных видов местных ресурсов в регионе, что обусловливает важность корректной их оценки в месте расположения потребителя. Кроме того, необходим научно обоснованный подбор оборудования как по мощности, оптимальной конфигурации и составу агрегатов, так и по возможности его использования в суровых климатических условиях Арктики.
Потенциал возобновляемых энергоресурсов в российской Арктике
Ресурсы местных, в том числе возобновляемых источников энергии, во много раз превышают современное и перспективное энергопотребление в Арктике. Вопрос о выборе того или иного источника энергии и конкретной технологии определяется технико-экономическими соображениями и уровнем готовности технологии к использованию в местных климатических условиях с учетом особенностей потребителей энергии. При выборе места сооружения энергоустановок, их проектировании и прогнозе производительности необходимы объективные исходные данные о ресурсах возобновляемой энергии желательно с максимальным охватом территории и высоким пространственным разрешением. Для ветровых и солнечных энергетических ресурсов основными источниками данных являются результаты многолетних наземных актинометрических и метеорологических измерений в заданном регионе, а также результаты обработки данных реанализа и математического моделирования, представленные в глобальных базах данных, лидирующее место среди которых занимает NASA SSE.
Практически повсюду в Арктике, прежде всего в прибрежных зонах, имеются огромные ветроэнергетические ресурсы: в ряде районов среднегодовая скорость ветра превышает 5–7 м/с, что считается крайне благоприятным условием для экономически эффективного использования энергии ветра. Для ряда регионов Арктической зоны РФ (Архангельская область, Республика Коми и др.) потенциально значимыми для производства тепловой и электрической энергии могут стать ресурсы биомассы, прежде всего отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности.
Ресурсы местных, в том числе возобновляемых источников энергии, во много раз превышают современное и перспективное энергопотребление в Арктике
Потенциальные потребители энергии
Наиболее значимыми потребителями энергии в Арктическом регионе являются поселки, обеспечивающие деятельность предприятий лесной промышленности, горно-металлургического и нефтегазового комплексов, военных объектов, а также сами базы и предприятия. Пиковая мощность потребления электрической энергии для таких объектов существенно разнится и может составлять от 20–30 кВт (пос. Усть-Оленек на севере Якутии) до 8–10 МВт (пос. Тикси). При этом следует учитывать, что графики нагрузки носят ярко выраженный сезонный характер, потому что существенная доля энергии потребляется либо напрямую (через системы электроотопления), либо косвенно (через питание насосов местных котельных) на нужды теплоснабжения.
В условиях большого удаления населенных пунктов друг от друга, а также прохождения в регионе важной транспортной артерии – Северного морского пути (СМП), важное значение приобретает энергоснабжение объектов навигации и связи.
Для региона, особенно в летнее время, также характерно наличие значительного числа потребителей, живущих и работающих вне населенных пунктов. В первую очередь это относится к коренным народам Севера, занятых оленеводством. Проблема удовлетворения потребностей в части энергообеспечения связи, освещения лагеря или стоянки, использования бытовых приборов характерна также для туристов, геологов, рыбаков, охотников, военнослужащих. Наличие таких потребителей делает весьма актуальным как разработку легких и компактных накопителей энергии, так и средств их зарядки в полевых условиях.
Возможности использования ВИЭ для энергоснабжения обозначенных групп потребителей определяются режимами их работы и условиями в местах их расположения. При этом для объектов ЖКХ, баз и предприятий целесообразно использование ветроэнергетических установок, в комбинации с дизель-генераторами и/или накопителями электрической энергии, поскольку объекты-потребители функционируют круглый год, в том числе и в условиях полярной ночи.
Ряд навигационных систем и портативные энергоустановки гражданского назначения можно отнести к системам сезонного применения. В этом случае с успехом могут быть использованы солнечные батареи, имеющие перед ветроустановками ряд преимуществ: более предсказуемая выработка электроэнергии в зависимости от погодных условий, меньшая зависимость от места расположения в пределах региона, возможность более гибкого изменения мощности установки, более высокая мобильность.
Опыт использования ВИЭ в Арктической зоне
С начала 2000-х годов в регионе создавались и эксплуатировались энергоустановки, использующие энергию возобновляемых источников. Самой известной и крупной электростанцией на основе ВИЭ является Анадырская ветроэлектростанция на мысе Обсервации. Общая установленная мощность ветроагрегатов достигает 2,5 МВт.
По данным Геоинформационной системы «ВИЭ России», в Арктике действует достаточно большое количество малых комбинированных энергоустановок, использующих энергию солнца и ветра. Самая северная и новая из них, пиковой мощностью 8 кВт, находится на мысе Желания, она построена при участии компании «Роснефть» и эксплуатируется сотрудниками национального парка «Русская Арктика». На мысе Сеть-Наволок работает ветродизельная электростанция мощностью 100 кВт.
Комплексным развитием ветродизельной энергетики на российском крайнем Севере и Дальнем Востоке занимается ОАО «Передвижная энергетика». Одна из ветроустановок, мощностью 250 кВт, расположена в г. Лабытнанги Ямало-Ненецкого автономного округа, еще 7 установок суммарной мощностью до 3,4 МВт запланированы к постройке на Камчатке, проектируется ветродизельная станция для поселка Чокурдах – одного из крупных административных центров Северной Якутии. В пунктах, выбранных для размещения станций, уже ведется ветромониторинг с целью обоснования оптимальных конфигураций оборудования.
В рамках отечественных и международных программ по замене радиоизотопоных генераторов в качестве источников питания навигационных знаков НИЦ «Курчатовский институт» и гидрографическими службами смонтировано более 50 энергоустановок на основе фотоэлектрических модулей, никель-кадмиевых аккумуляторов и малых ветроагрегатов, преимущественно по берегам Охотского моря и Берингова пролива. Мощность единичной установки составляет от 100 до 500 Вт. В Республике Саха (Якутия) также активно ведутся работы по энергообеспечению оленеводческих хозяйств мобильными фотоэлектрическими системами.
ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
ГЛАВА 2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ
2.1. Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России
2.2. Эффективность использования солнечных водонагревательных установок в различных климатических условиях
2.2.1. Критерии эффективности СВУ
2.2.2. Математическое моделирование работы СВУ
2.2.3. Инженерная методика оценки эффективности работы СВУ
2.3. Преобразование энергии солнечного излучения с помощью солнечных прудов
2.4. Разработка новых типов солнечных коллекторов и СВУ из теплостойких пластмасс
2.4.1. Сравнение технического уровня солнечных коллекторов отечественных и зарубежных производителей
2.4.2. Разработка солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс
2.5. Экспериментальные объекты с системами солнечного теплоснабжения
2.5.1. Экспериментальный солнечный дом в Армении
2.5.2. Установки солнечного теплоснабжения объектов CAO РАН
ГЛАВА 3. СОЛНЕЧНАЯ ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ СЕЛЕКТИВНЫХ АДСОРБЕНТОВ ВОДЫ
3.1. Термодинамический анализ термохимического цикла адсорбционного холодильника
3.2. Анализ условий выбора оптимальных режимов работы адсорбционной холодильной установки с учетом особенностей процессов сорбции/десорбции
3.3. Моделирование работы солнечной адсорбционной холодильной установки
ГЛАВА 4. АВТОНОМНЫЕ СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВЫЕ
ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
4.1. Принципы построения автономных энергоустановок 186 на возобновляемых источниках энергии.
4.2. Разработка математической модели 191 солнечно-ветровых автономных энергоустановок
4.3. Экспериментальные установки для лабораторных и 206 натурных исследований автономных солнечно-ветровых энергоустановок
ГЛАВА 5. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ГАЗОТУРБИННЫМИ 215 УСТАНОВКАМИ
5.1. Термодинамический анализ газотурбинных солнечных 220 электростанций с регенерацией тепла
5.2. Моделирование схем солнечных электростанций 231 с газовыми турбинами
ГЛАВА 6. ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
6.1. Обобщенная принципиальная схема ГеоЭС с 241 пароводяной турбиной, турбиной на низкокипящем рабочем теле или с их комбинацией
6.2. Выбор и тестирование уравнения состояния 246 природных углеводородов
6.3. Результаты расчетных исследований энергетической 259 эффективности ГеоЭС на различных рабочих телах
6.4. Анализ чувствительности расчетных показателей схем 262 ГеоЭС к изменению режимных параметров
ГЛАВА 7. ТЕПЛОНАСОСНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
7.1. Условия эффективного использования тепловых 266 насосов с различными источниками низкопотенциального тепла
7.2. Эффективность системы теплонасосного 274 теплоснабжения здания Большого оптического телескопа CAO РАН
Рекомендованный список диссертаций
Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины, солнечного коллектора и теплового насоса 2013 год, кандидат технических наук Папин, Владимир Владимирович
2012 год, кандидат технических наук Чемеков, Вячеслав Викторович
2003 год, доктор технических наук Амерханов, Роберт Александрович
Совершенствование параметрических характеристик энергоэффективных и экологически безопасных систем комплексного теплоэнергоснабжения автономных потребителей на базе ветроустановок 2005 год, кандидат технических наук Кухарцев, Владислав Владимирович
2018 год, кандидат технических наук Батухтин, Сергей Геннадьевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка систем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии»
Освоение экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является стратегической проблемой, определяющей перспективы устойчивого развития многих стран в условиях постепенного истощения дешевых запасов ископаемого органического топлива и возникающих угроз все большего антропогенного загрязнения окружающей среды. Многие технологии использования ВИЭ уже сегодня достигли уровня конкурентоспособности и постепенно выходят на рынок, в том числе российский.
Нетрадиционные возобновляемые источники энергии и новые методы ее преобразования и аккумулирования» определены в качестве одной из критических технологий в рамках приоритетных направлений развития науки и техники Российской Федерации, утвержденных Президентом России 30.03.2002 г., № Пр-577 и Пр-578.
Главными задачами научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок является повышение эффективности преобразования ВИЭ в полезные виды энергии, надежности и других технико-экономических показателей разрабатываемых систем и устройств, поиск ниш экономически эффективного внедрения технологий, создание и опытная апробация демонстрационных установок, подготовка научно-методических материалов, обосновывающих эффективные сферы и способы использования ВИЭ.
Объектами исследований и разработок в диссертации являются технологии, установки и системы, обеспечивающие эффективное преобразование:
Солнечной энергии в тепловую энергию (системы солнечного горячего водоснабжения и отопления), в энергию «холода» (солнечные адсорбционные холодильные установки) и в электроэнергию (солнечные электростанции с термодинамическим преобразованием);
Солнечной (с помощью Фотоэлектрических преобразователей!, ветровой энергии или их комбинации в электроэнергию для энергоснабжения автономных потребителей, в том числе с использованием водородных накопителей энергии;
Геотермальной энергии в электроэнергию (геотермальные электростанции (ГеоЭС), в частности, энергетические установки с низко-кипящими рабочими телами);
Низкопотенциального тепла от различных источников с помощью тепловых насосов в тепловую энергию для целей горячего водоснабжения и отопления.
Целью работы является разработка научных и технологических основ эффективного преобразования перечисленных выше ВИЭ и их апробация путем математического моделирования работы установок и систем в условиях, максимально учитывающих реальные условия эксплуатации, а также путем создания экспериментальных и демонстрационных установок.
В условиях существенной нестабильности поступления энергии от большинства ВИЭ, обусловленной суточными, сезонными, погодными и другими факторами, использование стационарных и квазистационарных методик анализа эффективности преобразования энергии, в отличие от традиционных энергоустановок, как правило, не обеспечивает получения надежных и достоверных результатов. С учетом этого обстоятельства в диссертации реализуется единый методический подход к решению задач моделирования энергоустановок на ВИЭ. Этот подход основан на разработке и применении динамических моделей установок.
Принципиальной особенностью моделей является использование в качестве исходных данных детальной актинометрической и метеорологической информации в формате «типичного метеогода - TMY» (часовые годовые последовательности потоков солнечной радиации, скорости ветра и температуры атмосферного воздуха). TMY генерируется с помощью международно-отработанных процедур обработки среднемесячных климатических многолетних данных1. Исследования, проведенные рядом зарубежных авторов и направленные на определение оптимальной степени детализации исходных актинометрических
1 Hall I.; Prairie R.; Anderson H.; Boes E. Generation of Typical Meteorological Years for 26 SOLMET Stations. SAND78-1601. - Sandia National Laboratories. Albuquerque. 1978. (http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/tmy2/ overview.html#method) данных (шага интегрирования) при моделировании работы солнечных установок, показали, что адекватное описание таких установок с приемлемой погрешностью предсказания интегральных энергетических показателей обеспечивается при часовых интервалах представления солнечной радиации. Более мелкие шаги интегрирования не приводят к существенному повышению точности результатов, но ведут к резкому увеличению продолжительности расчетов. Увеличение шага интегрирования более 1 часа приводит к существенному повышению погрешности расчетов.
Динамическое моделирование большинства рассмотренных в диссертации установок осуществляется с применением современного программного продукта ТЯМБУБ2, используемого в качестве основного программного средства динамического моделирования солнечных и других установок на ВИЗ ведущими мировыми научными центрами. Среда динамического моделирования ТЯМБУБ, первоначально разработана в Висконсинском университете (США) в 1973 году для моделирования систем солнечного теплоснабжения. На сегодня ТЯМБУБ является отраслевым стандартом де-факто, что позволяет говорить о достоверных результатах моделирования.
Среда предназначена для описания поведения систем, описываемых системами обыкновенных дифференциальных уравнений, и представляет собой набор ФОРТРАН-модулей, необходимых для управления процессом моделирования; модулей, описывающих поведение различных элементов системы и используемых в качестве «кирпичей» для ее сборки, а также ряда вспомогательных модулей, в том числе предназначенных для ввода и вывода информации и ее анализа. Весь этот набор откомпилирован в динамическую библиотеку и работает под управлением собственно программы динамического моделирования.
Конфигурация моделируемой системы задается пользователем в виде специального файла описания связей между элементами систе
2 TRNSYS - The Transient System Simulation Program // http://sel.me. wisc.edu/TRNSYS/ мы. Этот файл в последних версиях ТЯ^УБ генерируется специальной программой с удобным графическим интерфейсом.
Модульный характер ТКМБУБ, наличие исходного кода и четких правил описания и связывания модулей определяют открытый характер ТК^УБ, позволяя пользователю создавать модули описания собственных элементов и включать их в моделируемые системы, расширяя таким образом возможности среды моделирования. Кроме того, независимой переменной при моделировании не обязательно должно быть время, что дает возможность проводить вариантные и оптимизационные расчеты, исследуя поведение квазидинамической системы при изменении соответствующих параметров.
Технология динамического моделирования установок на ВИЭ иллюстрируется рис. 1. В результате статистической обработки результатов моделирования определяются интегральные энергетические и технико-экономические показатели установок. В некоторых случаях (см., например, раздел 2.2., относящийся к солнечным водонагревательным установкам) удается получить обобщающие зависимости, на основе которых возможно построение инженерных методик расчета.
СРЕДНЕМЕСЯЧНЫЕ ДАННЫЕ ПО СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ, ТЕМПЕРАТУРЕ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА, СКОРОСТИ ВЕТРА
Динамическое моделирование работы установки в течение года (ТДЫЗУЭ)
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ. ПОЛУЧЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Рис. 1. Технология моделирования установок на ВИЭ
Для достижения сформулированной выше цели, в том числе с использованием описанного единого методического подхода, в диссертации решаются следующие конкретные задачи:
В области преобразования солнечной энергии в тепловую энергию:
Используя доступные источники климатической информации, систематизировать, обобщить и представить в удобном для практического использования виде данные о распределении ресурсов энергии солнечного излучения по территории России за различные периоды года, необходимые для оценки эффективности использования солнечных установок.
Разработать и с использованием имитационных моделей и путем создания экспериментальных объектов обосновать эффективные схемы солнечного горячего водоснабжения и отопления различных потребителей на основе плоских солнечных коллекторов и «солнечных прудов»,
Разработать методику оценки эффективности применения солнечных водонагревательных установок в климатических условиях различных регионов России, ориентированную на разработчиков и потенциальных пользователей солнечных установок.
Разработать и создать экспериментальные конструкции солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок с применением современных теплостойких полимерных материалов, обеспечивающие существенное улучшение технико-экономических показателей по сравнению с традиционными солнечными установками, изготавливаемыми с использованием металлических материалов и стекла.
В области преобразования солнечной энергии в энергию холода с помощью адсорбционных холодильных установок: провести анализ эффективности использования различных адсорбентов воды в солнечных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях, выявить основные критические параметры, влияющие на эффективность преобразования солнечной энергии и разработать практические рекомендации;
В области раздельного и комбинированного использования солнечной (с помощью фотоэлектрических преобразователей) и ветровой энергии для энергоснабжения автономных потребителей: разработать методы математического моделирования работы автономных солнечно-ветровых энергоустановок в реальных климатических условиях с целью обоснования их оптимальной конфигурации и определения возможности создания полностью автономных энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и/или водородными накопителями, сформулировать задачи необходимых экспериментальных исследований, разработать и создать прототип автономной солнечно-ветровой энергоустановки для конкретного потребителя;
В области преобразования солнечной энергии в электрическую энергию на электростанциях с термодинамическим циклом: разработать принципиальные схемы солнечных электростанций (СЭС), работающих с использованием современных газотурбинных установок, и на основе динамического математического моделирования провести сравнительный анализ энергетической эффективности различных перспективных схем СЭС.
В области преобразования геотермальной энергии в электрическую энергию: разработать обобщенную схему и имитационную модель геотермальной электростанции и на основе единого подхода провести сравнительный анализ различных схем ГеоЭС, работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низкокипящих рабочих телах или с их комбинацией на примере разрабатываемого бинарного блока Верхнее-Мутновской ГеоЭС.
В области преобразования низкопотенииального тепла с помощью тепловых насосов в тепловую энергию: разработать принципиальные схемы систем теплоснабжения с парокомпрессионными тепловыми насосами, утилизирующими тепло от нестационарных источников с существенным различием графиков выделения и потребления тепла, и с использованием имитационной модели обосновать оптимальные технические решения по созданию теплонасосной системы теплоснабжения конкретного объекта.
На защиту выносятся следующие результаты исследований и разработок, выполненных лично автором или под его научным, руководством, обладающие существенной научной новизной и практической значимостью:
1. Методика формирования базы данных и результаты построения карт распределения среднедневных потоков солнечной радиации на земную поверхность и различным образом ориентированные в пространстве неподвижные поверхности за различные периоды года для территории России для гелиотехнических приложений.
2. Новый критерий эффективности использования солнечных водонагревательных установок в различных климатических условиях: число дней за определенный период года (месяц, квартал, полугодие, весь год), в которые вода в баке-аккумуляторе солнечной установки нагревается за счет солнечной энергии не ниже заданного контрольного уровня температуры (37, 45 или 55°С).
3. Инженерная методика расчета эффективности работы солнечных водонагревательных установок (СБУ) в различных климатических условиях на основе вновь введенного критерия и традиционно используемого критерия («доля покрытия нагрузки за счет солнечной энергии»), разработанная на основе применения современных методов динамического моделирования «типичной» СБУ. Установление корреляционных зависимостей между двумя указанными выше критериями.
4. Результаты анализа эффективности применения солнечных прудов для целей теплоснабжения и производства электроэнергии.
5. Результаты разработки, создания и экспериментальной эксплуатации ряда демонстрационных объектов с системами солнечного отопления и горячего водоснабжения.
6. Результаты разработки новых типов солнечных коллекторов и СБУ из теплостойких полимерных материалов, обеспечивающих улучшенные технико-экономические и эксплуатационные показатели.
7. Результаты анализа эффективности солнечных адсорбционных холодильных установках периодического действия в различных климатических условиях.
8. Результаты анализа показателей и рекомендации по выбору оптимальной конфигурации полностью автономных солнечно-ветровых энергоустановок с электрохимическими аккумуляторами энергии и водородными накопителями с учетом реальных климатических условий места предполагаемой эксплуатации.
9. Принципиальные схемы и результаты сравнительного анализа схем СЭС башенного типа, работающих с использованием регенераци-онного цикла Брайтона, обычного цикла Брайтона с инжекцией пара и комбинированного парогазового цикла преобразования энергии.
10. Обобщенная принципиальная схема и результаты сравнительного энергетического анализа ГеоЭС, работающих с использованием пароводяных турбин, турбин на низкокипящем рабочем теле или с их комбинацией в зависимости от исходных параметров геотермального флюида, свойств рабочего тела, а также с учетом ограничений по предотвращению солеотложений в пароводяном контуре станции.
11. Результаты моделирования, разработки и создания системы теплонасоного теплоснабжения здания Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН, работающей с утилизацией низкопотенциального тепла масляной системы подвески телескопа в условиях существенного рассогласования суточных графиков выделения и потребления тепла.
Большая часть исследований и разработок, представленных в диссертации, выполнялась в рамках проектов, входящих в состав Федеральных и региональных научно-технических программ, инициативных проектов, финансируемых Российским фондом фундаментальных исследований, Московским комитетом по науке и технологиям Правительства Москвы, а также в рамках международных проектов и договоров с различными заказчиками.
Так, например, исследования и разработки в области использования солнечной энергии и тепловых насосов для целей теплохладо-снабжения в последние годы проводились:
По Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы» по теме: «Создание технологий и оборудования с использованием возобновляемых источников энергии и их комплексное использование в энергетике, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный контракт с Минпромнауки России и Федеральным агентством по науке и инновациям №41.003.11.2919), а также по теме «Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии» (Государственный контракте Роснаукой № 02.447.11.5011);
По Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Системный анализ технологий и сфер эффективного энергетического использования возобновляемых источников энергии в регионах России» (Государственный контракт с Роснаукой №02.516.11.6013);
По программе РАН «Повышение эффективности использования учреждениями РАН энергоресурсов и сокращения расходов на эти цели»;
По грантам РФФИ: 01-02-17317 «Разработка математических моделей и программного обеспечения для прогнозирования эффективности применения солнечных и комбинированных солнечно-теплонасосных систем теплоснабжения в климатических условиях России», 03-02-16637 «Моделирование и оптимизация схем бинарных геотермальных энергетических установок на различных органических рабочих телах», 05-02-16953 «Оптимальный сорбент для химических и адсорбционных тепловых насосов: теоретические критерии, синтез и исследование свойств, моделирование цикла», 05-08-01469 «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания эффективных устройств для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию из современных теплостойких полимерных материалов», 0608-01530 «Исследование процессов формирования и эффективности использования селективных оптических покрытий на полимерных материалах».
По грантам ОАО МКНТ Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг., а также
В рамках научного сотрудничества с Ulster University (Северная Ирландия).
Исследования в области солнечных электростанций выполнялись в рамках научного сотрудничества по программе Международного энергетического агентства SolarPACES (высокотемпературные энергетические и химические технологии использования концентрированного солнечного излучения) с DLR (Германия), CIEMAT (Испания), SNL (США), WIS (Израиль) и др., а также в рамках Международного проекта 6-ой Рамочной программы Европейского союза «European Concentrated Solar Thermal Roadmap (ECOSTAR) Coordination Action» в 20032005 гг. (Consortium: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - координатор, VGB PowerTech e.V., Centro de investigaciones energéticas, medioambientales y tecnológicas (CIEMAT), Centre National de la Recherche Scientifique(CNRS-IMP), Weizmann Institute of Science (WIS), ETH - Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, Institute for high temperatures, Russian academy of sciences (ИВТАН)).
Исследования в области геотермальной энергетики выполнялись по контрактам с ЗАО «Геотерм» в рамках разработки проекта Верхне-Мутновской геотермальной электростанции, по гранту РФФИ 03-02-16637-а «Моделирование и оптимизация схем бинарных геотермальных энергетических установок на различных органических рабочих телах» и в рамках международного проекта 6-ой рамочной программы Европейского Союза «EIMGINE».
Исследования в области разработки солнечных адсорбционных холодильных установок проводились в рамках проекта INTAS 03-516260 «SOU\C» «Исследование солнечной адсорбционной холодильной установки, использующей новые адсорбирующие материалы (координатор: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Istituto di Tecnologie Avanzate per I"Energia "Nicola Giordano" (ITAE), Италия, соисполнители: И ВТ РАН (Россия), Aachen University (RWTH-Aachen) (Германия), Институт Катализа СО РАН, МГУ (Россия), Институт Технической теплофизики НАНУ (Украина), а также гранта РФФИ 05-02-16953 «Оптимальный сорбент для химических и адсорбционных тепловых насосов: теоретические критерии, синтез и исследование свойств, моделирование цикла».
Исследования по разработке полностью автономных энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии с водородными накопителями выполнялись в рамках Соглашения Академии наук с ОАО «ГМК «Норильский никель» по водородной энергетике и гранта РФФИ 06-08-00337 «Теоретическое и экспериментальное исследование автономных солнечно-ветровых энергоустановок».
Работы выполнялись в рамках научной школы академика А.Е. Шейндлина и члена-корреспондента РАН Э.Э. Шпильрайна.
Практическая значимость полученных в работе результатов состоит:
В развитии теоретических, методических и технологических основ эффективного преобразования различных ВИЭ, обеспечивающих базу для практического применения рассматриваемых технологий в различных секторах экономики;
В создании ряда опытно-демонстрационных объектов с системами энергоснабжения с использованием солнечной энергии и утилизацией низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов;
В практической реализации экономически эффективных технических решений по использованию возобновляемых источников энергии при реконструкции систем энергоснабжения объектов Специальной астрофизической обсерватории РАН, обеспечивших существенную экономию электроэнергии и повышение надежности энергоснабжения;
В разработке новых конструкций и создании научных основ для организации опытного производства плоских солнечных коллекторов и индивидуальных солнечных водонагревательных установок из теплостойких и стойких к ультрафиолетовому излучению пластмасс, имеющих при сохранении высокой энергетической эффективности в 1,5 - 2 раза более низкую стоимость, чем коллекторы и СБУ, изготавливаемые из цветных металлов и стекла.
Достоверность результатов исследований обусловлена применением современных международно-признанных методов и программных средств динамического моделирования рассматриваемых систем и установок (TRNSYS), проведением анализа погрешностей полученных результатов и анализа чувствительности полученных интегральных энергетических характеристик к изменению ключевых параметров, проведением натурных экспериментов и положительными результатами применения на практике предложенных автором рекомендаций и методов повышения эффективности систем теплоснабжения с использованием ВИЭ.
Автор глубоко признателен к.т.н. С.Е. Фриду, в тесном сотрудничестве с которым выполнен обширный комплекс расчетно-теоретических исследований, к.ф.-м.н. В.Н. Щеглову, аспиранту М.Ж. Сулейманову, инженеру-конструктору И.В. Прокопченко, аспиранту A.B. Мордынскому и механику В.В. Пилипенко, совместно с которыми велись разработки и испытания новых конструкций солнечных коллекторов из теплостойких пластмасс, аспирантке Ю.Г. Колоииец, выполнившей огромный объем работ по формированию климатических баз данных и построению карт распределения ресурсов солнечной энергии для регионов России, к.т.н. Л.Б. Директору, с участием которого созданы экспериментальные и демонстрационные установки на объектах Специальной астрофизической обсерватории РАН и выполнены работы по подготовке уравнений состояния перспективных органических рабочих тел для бинарных геотермальных энергоустановок, к.т.н. A.A. Чернявскому (ОАО «Ростовтеплоэлектропроект»), внесшему решающий вклад в разработку и реализацию проектов установок на ВИЭ для CAO РАН, к.т.н. Д.Б. Изосимову (ИПУ РАН), и В.Л. Туманову (НИК-НЭП), к.т.н. В.И. Трофименко (МЭИ), в тесном сотрудничестве с которыми разработаны подходы к созданию автономных энергоустановок с водородными накопителями, студенту МФТИ С.С. Шаронову, увлеченно участвовавшему в разработке солнечной адсорбционной холодильной установки, к.ф.-м.н. C.B. Киселевой и студентке E.H. Тереховой (МГУ им. Ломоносова) за активное сотрудничество в подготовке Атласа ресурсов солнечной энергии в регионах России, д.х.н. Ю.И. Аристову (ИК СО РАН) за плодотворное сотрудничество при проведении исследований солнечных адсорбционных холодильных установок, а также к.т.н. А.Г. Мозговому, участвовавшему в создании стендового оборудования, и многим другим сотрудникам и коллегам, внесшим вклад и содействовавшим выполнению исследований и разработок по теме диссертации.
Похожие диссертационные работы по специальности «Энергетические системы и комплексы», 05.14.01 шифр ВАК
Исследование эффективности схем энергоснабжения автономных потребителей в Африке на основе солнечной фотоэлектрической станции и электрохимических накопителей энергии 2014 год, кандидат технических наук Кпау Зондже Раймонд
Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли для теплоснабжения сельского потребителя в условиях Южного Урала 2014 год, кандидат технических наук Афонин, Вячеслав Сергеевич
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.
Степень: д.т.н., профессор.
Членство в профессиональных ассоциациях:
Член редколлегий журналов «Теплоэнергетика», «Альтернативная энергетика и экология» и «Энергия: экономика, техника, экология».
Руководитель Научно-исследовательского центра Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) «Физико-технические проблемы энергетики», главный научный сотрудник ОИВТ РАН. По специальности инженер-теплофизик (МЭИ, 1971 г.).
Достижения:
Лауреат Премии Правительства РФ в области науки и техники (2011 год) за «Разработку и внедрение эффективных технологий использования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии в малой энергетике». Выдвинут ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН в составе коллектива на премию Правительства РФ в области науки и техники 2018 г. за работу «Разработка, промышленное освоение и коммерциализация технологий создания высокоэффективных кремниевых фотоэлектрических модулей и сооружения солнечных электростанций в регионах России».
Автор 7 монографий и учебных пособий, более 200 научных работ и более 30 патентов, в том числе автор книг «Энергетика в современном мире» и «Возобновляемая энергетика в современном мире» (в соавторстве с академиком В.Е. Фортовым). Инициатор и один из разработчиков «Атласа ресурсов солнечной энергии на территории России (ОИВТ РАН, 2010 г.) и «Атласа ресурсов возобновляемой энергии на территории России» (ВШЭ, 2015 г.), ставших основой для разработки энергоустановок на ВИЭ научными и проектными организациями России. Под научной редакцией О.С. Попеля осуществлен перевод книг: А. да Роза «Возобновляемые источники энергии: физико-технические основы» (2010 г.) и Дж. Даффи, У. Бекман «Основы солнечной теплоэнергетики» (2012 г.).
Член Совета по грантам Правительства РФ, член Секции «Безопасная и эффективная энергетика» Межведомственного совета по присуждению премий Правительства РФ в области науки и техники, член Совета по приоритетному направлению научно-технологического развития РФ «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии», руководитель Рабочей группы Научно-координационного совета ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы» по приоритетному направлению «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», руководитель Экспертного совета Технологической платформы «Малая распределенная энергетика», член Экспертных советов Технологической платформы «Перспективные технологии возобновляемой энергетики» и Фонда «Сколково», член Научно-технических советов ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС», ОАО «РАО ЭС Востока», ГК РОСАТОМ, ОАО ВТИ. Эксперт Некоммерческого партнерства «Глобальная энергия», ряда рабочих групп Комитета по энергетике Государственной Думы Российской Федерации. Член Диссертационных советов ОИВТ РАН, МЭИ и ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова.
Под научным руководством Попеля О.С. защищены 4 кандидатских диссертации. Является со-руководителем совместного ОИВТ РАН - Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Научно-образовательного центра «Возобновляемые источники энергии». Один из ключевых организаторов Международного Конгресса REENCON «Возобновляемая энергетика — XXI век: энергетическая и экономическая эффективность» (https://reencon.hse.ru/).
Попель Олег Сергеевич – 1948 года рождения, по специальности инженер-теплофизик (МЭИ - 1971 г., аспирантура МЭИ – 1974 г.), доктор технических наук, заместитель директора Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) по научной работе, руководитель Научно-исследовательского центра ОИВТ РАН «Физико-технические проблемы энергетики». В ОИВТ РАН работает с 1973 года.
Лауреат Премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники (2011 год) за «Разработку и внедрение эффективных технологий использования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии в малой энергетике».
Автор 5 монографий и учебных пособий, более 300 научных работ и более 30 патентов, в том числе автор книги «Энергетика в современном мире», изд-во «Интеллект», 2010 г (в соавторстве с академиком В.Е. Фортовым). Лауреат Премии Международной академической компании «Наука/Интерпериодика» за лучшую научную публикацию 2012 г. в журнале «Теплоэнергетика».
Под руководством О.С. Попеля разработан «Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России (ОИВТ РАН, 2010 г.) и Геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии России» - www.gis-vie.ru (совместно с Географическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова).
Под руководством О.С. Попеля реализован ряд проектов по практическому применению возобновляемых источников энергии в различных регионах страны, в том числе на объектах Специальной астрофизической обсерватории РАН, в Дагестане, в Армении, в Москве, ряд разработок подготовлен для коммерциализации.
Член редколлегий журналов: «Теплоэнергетика», «Альтернативная энергетика и экология» и «Энергия: экономика, техника, экология».
Председатель Научного совета ОЭММПУ РАН по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии. Член Совета по грантам Правительства Российской Федерации.
Руководитель Рабочей группы Научно-координационного совета ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» Минобрнауки РФ по приоритетному направлению «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика».
Руководитель Экспертного совета Технологической платформы «Малая распределенная энергетика», член Экспертных советов Технологической платформы «Перспективные технологии возобновляемой энергетики», РФФИ и Фонда «Сколково».
Член Научно-технических советов ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС», ОАО «РАО ЭС Востока» и ОАО ВТИ.
Является со-руководителем совместного ОИВТ РАН – Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Научно-образовательного центра «Возобновляемые источники энергии».
За последние 5 лет являлся руководителем 7 госконтрактов и 3 проектов РФФИ. Под научным руководством Попеля О.С. защищены 4 кандидатских диссертации.
Попель О.С. неоднократно приглашался в качестве эксперта и научного консультанта в научные центры Кубы, Мексики, Южной Кореи и др. стран. Приглашался как invited professor в Ulster University (UK), имеет опыт международного сотрудничества с научными центрами Германии (DLR), Испании (CIEMAT), США (SNL), Ю. Кореи (KIER) и др. в рамках международных проектов и контрактов.
