Основной вектор научно-исследовательских работ лаборатории возобновляемых источников энергии (НИЛ ВИЭ) географического факультета Московского университета, проводимых с момента её образования в 1968 году, был направлен на решение технико-экономических и эколого-географических задач возобновляемых источников энергии. Далее представляются результаты исследовательских разработок последнего времени, относящиеся к: инновационным поисковым решениям эффективного использования низкопотенциальной тепловой энергии; методам определения энергетических потенциалов вторичных возобновляемых ресурсов; энергетическим оценкам снижения риска формирования катастрофически опасных гидравлических подъёмов течений при прохождении водосливных плотин гидроэнергетических станций.

Одним из этапов формирования приоритетных направлений рационального использования возобновляемых источников энергии является создание репрезентативной базы данных о ресурсах возобновляемых запасов энергии, в частности, формирующихся в процессах антропогенной деятельности в целом по России с детализацией по субъектам Российской Федерации. Эти данные являются исходной информацией для создания комплексов по реструктуризации вторичного энергосодержащего сырья, разработки региональных программ развития вторичной энергогенерации и обоснования мер государственной поддержки в области рационального использования вторичных возобновляемых энергоресурсов. Разработки лаборатории в этом направлении включали в себя: анализ и систематизацию имеющейся информации о всех видов вторичных ресурсов энергии ветра по России и по административным территория с отбором наиболее достоверной информации для практического использования; уточнение методов расчёта и алгоритмов формирования баз данных валового и технического потенциалов вторичных ресурсов энергии; актуализацию и детализацию геоинформационного обеспечения и карт распределения вторичных ресурсов возобновляемой энергии по субъектам Российской Федерации.

В частности, в географических оценках мощности вторичных энергоресурсов входил расчёт энергопотенциала отходов жилищно-коммунального и сельского хозяйств с детализацией до муниципальных образований субъектов РФ [1]. В развитии ранее разработанных методик расчёта энергетического потенциала биомассы была учтена структура сельскохозяйственного производства с детализацией объёмов производства по сельскохозяйственным организациям разного территориального уровня. Определён энергетический потенциал отходов коммунального хозяйства для одного из самых густонаселённых субъектов РФ — Московской области. Получены оценки энергетического потенциала твёрдых коммунальных отходов и отходов сточных вод городов области с населением более 100 тыс. человек. Сделан вывод о высоком ресурсном энергетическом потенциале муниципальных отходов и целесообразности его использования для производства тепла и энергии (рис. 1).

Проведённые исследования показали, что усреднение энергетического потенциала ресурсов биоэнергетики по всей площади субъектов РФ оказывается малоинформативным для решения практических задач использования отходов сельского хозяйства. Выполнена оценка биоэнергетического ресурса сельскохозяйственного производства в масштабе муниципальных районов и городских округов. Полученные данные, представленные в виде таблиц и карт, позволили выявить территориальное распределение биоэнергетического потенциала сельского хозяйства Волгоградской области [2]. При расчётах технического потенциала отходов растениеводства и животноводства использовалась методика, детально изложенная в работе [3]. Принималось, что для преобразования в потребительскую энергию используется вся ежегодно образующаяся масса отходов. В качестве технологий переработки отходов рассматривалось получение электроэнергии и тепла с помощью мини-ТЭС с прямым сжиганием биомассы или мини-ТЭС на биогазе (для отходов растениеводства) и мини-ТЭС на биогазе (для отходов животноводства) [4]. Результаты работы рекомендованы для принятия управленческих решений при определении направлений развития биоэнергетики.

В развитии технологий утилизации отходов тепловых энергоресурсов выполнялись исследовательские разработки технологических решений использования низкопотенциального тепла применительно к повышению эффективности охлаждения в градирнях теплоносителей энергетических машин. Работы по совершенствованию башенных испарительных градирен являются важным развитием одного из направлений развития возобновляемых источников энергии, а именно — утилизации низкопотенциального тепла, поскольку градирни представляют собой установки для утилизации низкопотенциального тепла, которое образуется при работе энергетических станций. Низкопотенциальное тепло используется в них для формирования потока наружного воздуха, с помощью которого охлаждается оборотная вода турбин электростанций, обеспечивающее увеличение коэффициента полезного действия станции. В современной энергетике охлаждение теплоносителей в градирнях осуществляется при испарении и взаимодействии с воздушными потоками, циркулирующими за счёт тяги в вытяжных башнях [5]. В конструкциях башенных градирен существуют области, в которые поток наружного охлаждающего воздуха не попадает. Для достижения более равномерного распределения воздушных течений внутри башни, нами предложено ввести в конструкцию градирни воздухонаправляющие устройства [6]. В градирне с воздухонаправляющими устройствами, поток наружного воздуха направлялся не вдоль радиуса к центру основания градирни, а под углом к нему. В результате создавались условия для сокращения размеров мёртвых зон для потока наружного воздуха и увеличения времени его взаимодействия с развитой поверхностью воды в подоросительном пространстве. Модернизированная градирня с системой воздухорегулирующих устройств была результативно реализована [7].

Несмотря на эффективность предложенных технических решений с регулированием воздушных потоков, охлаждающих теплоносители, в градирни остаются недостатки, связанные с тем, что оросительное устройство, расположенное внутри вытяжной башни, не выполняет в полной мере своей функции интенсификации процесса тепломассообмена. За счёт аэродинамического сопротивления, вносимого в поток оросителем, практически полностью заполняющим пространство градирни, создаются условия для уменьшения тяги вертикального потока в башне и, как следствие этого, снижения охладительной способности. Для устранения этого недостатка нами была предложена конструкция градирни с выносным оросителем [8]. В такой градирне водораспределительная система и оросительное устройство выносится из вытяжной башни и располагается кольцом вокруг неё (рис. 2).

Расположением воздухонаправляющих щитов под углом к радиусу основания вытяжной башни изменяется длина пробега, а, следовательно, и время контакта потока наружного воздуха с развитой поверхностью тёплой воды, что увеличивает интенсивность теплообмена. Для сравнительной оценки эффективности охладительной способности градирен с внутренним и внешним теплообменом использовалась математическая модель, описывающая физические процессы испарения и контактного теплообмена воздушных потоков с паровоздушной смесью и водой. В качества объекта рассматриваемой модели выбраны две башенные градирни с естественной тягой, содержащие оросительные насадки как внутри, так и вне башни, а также устройства воздухорегулирования в виде воздухорегулирующих поворотных щитов с вертикальной осью вращения в воздуховходных окнах.

Математическая модель течений в градирне представляет собой краевую задачу для системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих тепломассообмен между фазовыми состояниями «вода–воздух–пар» в процессе аэрогидродинамических взаимодействий теплоносителей. В тепломассообменную часть математической модели течений многофазных сред внутри градирни включаются дифференциальные уравнения сохранения массы и энергии для контактирующих потоков и уравнения тепломассообмена между фазами [9]. Аэродинамика и контактный теплообмен в модели градирни представляются системой дифференциальных уравнений движения, неразрывности, теплопроводности и уравнением состояния. Граничными условиями задаются температура наружного воздуха на входе в башню, его влажность и давление, энтальпия воздуха, скорость входящих в башню течений, расход воздуха, закрутка потока с углом входа потока в градирню по отношению к радиусу опорного кольца башни для градирни с внутренним теплообменом и к радиусу внешнего кольца устройства с внешним оросителем. В верхнем сечении оросителя задаются начальный расход воды, температура воды, энтальпия пара для исходной температуры воды.

Реализация математической модели градирни была осуществлена в математическом пакете Matlab. Для оценок сравнительной эффективности двух вариантов градирен выполнены расчёты теплового коэффициента охлаждающей способности градирни:

где t1w — температура воды на входе в градирню; t2w — температура воды на выходе; τ — температура мокрого термометра. При анализе тепловой эффективности градирен рассматривалась зависимость теплового коэффициента полезного действия η от соотношения расходов «вода/воздух».

Представленные на рис. 3 результаты расчётов выполнены в двух типах градирен для одинаковых и стандартных условий режима эксплуатации: с расходом воды Qw = 100 м³/ч, подаваемой на водораспределительную систему градирен; при температуре поступающей воды tw1 = 40 °C; при температуре наружного воздуха ta = 25 °C; при относительной влажности воздуха ψ = 50 % и массовом расходе воздуха в пределах Qa = 30–400 м³/ч, изменяемом за счёт поворота щитов воздухорегулирующих устройств в интервале (10°–70°). Выявляется очевидное преимущество в использовании низкопотенциального тепла при охлаждении водных теплоносителей в градирне с выносным оросительным устройством. В градирне с внутренним теплообменом только при достаточно больших расходах входящих воздушных потоков наружного воздуха и, следовательно, высоких значения тяги, начинает проявляться заметный рост охладительной способности. В условиях высоких температур воздуха, близких к температуре охлаждаемой воды в градирне с выносным теплообменом, возможно достижение более высоких разностей температур входящей и выходящей воды, чем в градирне с внутренним теплообменом.

Одно из направлений исследовательских разработок было связано с энергетическими оценками гидравлических прыжков, возникающих при прохождении речных потоков через водосливные плотины гидроэлектростанций. Актуальность исследований условий предотвращения образования гидравлических прыжков (речных цунами) обуславливается необходимостью решения задачи относительно оптимизации формы профиля сливной поверхности плотин ГЭС в гидродинамически неустойчивых течениях. Длительный период использования водосливов позволил всесторонне изучить и исследовать процессы перетока воды через плотины. Однако технический опыт показывает, что не все аспекты гидродинамических процессов с равной полнотой учитываются в большом количестве эмпирических таблиц для расчёта отдельных участков криволинейного профиля водосливов [10].

Вычисления по табулированным данным содержат неточности при определении радиусов сопряжения сливной поверхности водослива с водобоем. Они проявляются для высотных плотин с относительно большими значениями напоров, при которых создаются условия, способствующие формированию и отгону от плотины катастрофически опасных гидравлических прыжков. Следует отметить, что требованиям безопасности течений за плотинами не отвечают и многочисленные эмпирические и полуэмпирические формулы для расчёта радиусов сопряжения профиля плотин с водобоем, поскольку все они являются фактически разными модификациями опытных таблиц.

Обычно в попытках обоснования эмпирических формул исходят из учёта сил давления на водобой, связанных только с кинетической энергией, потоков, сходящих с начальных участков криволинейного профиля безвакуумного водослива. Между тем, гидродинамическая неустойчивость, приводящая к возникновению скачкообразного резкого подъёма воды за плотиной, провоцируется глубиной воды в придонном сжатом сечении меньшей критической глубины, соответствующей минимуму полной механической энергией потока [11]. По данным эксплуатационных работ, вклад потенциальной составляющей энергии в формирование опасных режимов генерации с прыжками на водосливах без профилирования плавного сопряжения сливной поверхности с водобоем составляет от 18 до 65 % от полной энергии течения через плотину [4, 11]. Это указывает на то, что без учёта вклада потенциальной энергии в глубину потоков воды, формирующихся в сжатом придонном сечении проблематично корректно рассчитать радиус сопряжения криволинейного профиля водослива с водобоем, обеспечивающий уменьшение вероятности образования гидродинамических прыжков.

На основе рассмотрения эффектов, обусловленных гидродинамической неустойчивостью процесса взаимодействия струйных течений, сходящих с криволинейной поверхности водосливных плотин, сопряжённых через сегментный участок окружности с водобойным участком речного дна, нами предложен способ расчёта радиуса сопряжения профиля плотин с водобоем. Аналитический расчёт радиуса R конъюгации (сопряжения) (рис. 4) выполняется в предположении, что поток с напором Н, сходящей по сливной поверхности водослива высотой Р с криволинейной формой профиля с углом α к горизонту, соответствует движению жидкости, удовлетворяющему закону сопротивления турбулентного режима течений, оказывающих динамическое воздействие на криволинейный участок сегмента окружности, сопрягающей профиль с водобоем.

При определении сопряжения профиля водослива с водобоем целесообразно считать, что глубины воды на сегментной части профиля водослива, определяются массой воды плотности ρ над поверхностью площади S в виде силы F давления, действующей по всей ширине водослива B: F = ρgSB, где S = πR²α/360, где α — центральный угол сектора.

Давление, оказываемое этой силой на концевую поверхность сопряжения водослива с водобоем, с учётом того, что длину дуги сегмента можно приблизительно заменить радиусом окружности будет равно pдоп ≈ F/BR. Дополнительное центробежное давление на концевую сегментную поверхность, которое оказывается потоком при его повороте, может быть записано в виде следующего равенства pдоп = ρV²h/R. Здесь V и h — скорость и критическая глубина воды в зоне сопряжения.

Принимая во внимание скорость потока, сходящего с водослива и критическую глубину воды на водобое, получена следующая расчётная формула для вычисления радиуса сопряжения:

где α — центральный угол сектора в градусах; безразмерный множитель C представляет собой комбинацию корректирующих коэффициентов скорости и Кориолиса β:

На графиках, представленных на рис. 5, для объединения значений, полученных вычислением по приведённым формулам, и данных, взятых из опытных наблюдений были выбраны значения радиусов сопряжения с нормировкой на статические напоры Н и высоту водосливов Р.

Из представленных на рис. 5 данных видно, что практически все формулы при малых относительных высотах водосливов при P/H, приблизительно расположенных в интервале 9–10, значения радиусов сопряжения совпадают между собой. Полученная в работе формула (1) достаточно близко соответствует опытным данным практически во всём диапазоне высот водосливов и напоров с относительно небольшим расхождением.

Расхождение расчётов по формулам по эмпирическим соотношениям для высотных плотин, по-видимому, связано с недостаточно полным определением динамических давлений, происходящих от характерных глубин в зоне сопряжения, где динамические воздействия в лучшем приближении согласуются с критическими глубинами, характерными для развитых турбулентных режимов сбросных потоков.

Этот вывод также подтверждается сравнительной оценкой разности потерь мощности потоков за водосливом без и с сопряжением по расчётным значениям подъёма глубин (рис. 6). Отклонения фактического профиля от расчётного свидетельствуют о значимости влияния на сопряжение профиля водослива с водобоем соотношения глубины сжатия и критической глубины гидродинамически неустойчивых течений после водосброса.

В заключение отметим работу, выполняемую лабораторией по пропаганде отечественных научно-исследовательских разработок возобновляемых источников энергии в рамках Всероссийских научномолодёжных школ по возобновляемым источникам энергии, проводимых в Московском государственном университете начиная с 1999 года.

Молодёжные научные школы — это образовательный проект по обучению и повышению квалификации молодых учёных, работающих в области возобновляемой энергетики, их ориентации на решение актуальных задач теории и практики. В декабре 2018 года в Московском госуниверситете на географическом факультете будет проводиться XI Всероссийская научная молодёжная школа «Возобновляемые источники энергии».

В работе школы предполагается участие аспирантов, магистрантов и бакалавров ведущих высших учебных заведений Российской Федерации, молодых учёных и специалистов, научных и производственных организаций из России, ряда зарубежных стран.

Научные доклады и лекции специалистов в области возобновляемой энергетики призваны дать представление о современном состоянии исследований и прикладных разработок в области возобновляемой энергетики, связанных с удовлетворением возрастающих потребностей в рациональном использовании возобновляемых источников энергии в энергодефицитных районах и экологически напряжённых территориях.

Завершая рассмотрение исследовательских разработок Лаборатории возобновляемых источников энергии, отметим, что на значимый переход России к освоению возобновляемых источников энергии можно рассчитывать при условии, что приоритет исследований будет за фундаментальными разработками.

Выводы

1. В башенных испарительных градирнях электростанций использование низкопотенциального тепла с коэффициентом эффективности обеспечивается при внешнем размещении воздухозаборных и оросительных систем. Утилизация отходов низкопотенциального тепла для производства электричества может быть реализовано на основе градирен с внешним теплообменом.

2. Выполненные в Лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ разработки и полученные материалы и данные по определению энергетических потенциалов и динамики возобновления запасов вторичных энергетических ресурсов — биомассы твёрдых бытовых, сельскохозяйственных и промышленных отходов, актуализированные по субъектам Российской Федерации, — могут быть рекомендованы для принятия управленческих решений для обеспечения эффективной реализации задач рационального природопользования.

3. Представленные результаты энергетических оценок интенсивности гидравлических прыжков, возникающих при прохождении речных потоков через плотины гидроэлектростанций, свидетельствуют о целесообразности использования при проектировании разработанных аналитических методов расчёта параметров плавного сопряжения профильных поверхностей водосливов с водобойными участками речного дна, снижающих риск распространения гидравлических прыжков по течению.