Методическое пособие 757

тивных электростанций (без энергии, вырабатываемой ГЭС) более весома. В США и Китае – 14 %, во Франции – 15 %, в Дании и Германии – 12 %. Но и эти достаточно высокие показатели их уже не устраивают. Так лидеры стран Евросоюза подписали соглашение, которое предусматривает, что к 2020 году не менее 20 %, а к 2040-му – 40 % всей потребляемой государствами ЕС электроэнергии должно производиться с использованием возобновляемых, экологически чистых источников, прежде всего, ветра, солнца и воды.

Старается не отстать от «передовиков» развития нетрадиционной энергетики и Китай. Причем особый акцент им будет сделан на солнечную энергию, а также на энергию ветра. Согласно опубликованному докладу Глобального совета по энергетике Китай поставил цель довести к 2050 году размер производства энергии из альтернативных источников до 40 % в общем энергетическом балансе страны. Министерство энергетики КНР приняло план, который предусматривает доведение мощности ветроэлектростанций к 2020 году до 100 ГВт. Если Китай сумеет его реализовать, то к этому времени ветроэнергоустановки будут давать больше электроэнергии, чем ныне действующие АЭС.

Кроме того, несколько лет назад в КНР принято решение о строительстве огромной солнечной электростанции. Она займет площадь в 31,2 тыс. квадратных километров (это две Калининградские области!). Стоимость проекта оценивается в $766 млн. По прогнозам экспертов китайского министерства энергетики, через сорок лет такие источники энергии, как ветроэнергоустановки, геотермальные электростанции и солнечные батареи из вспомогательных превратятся в основные электростанции. Для страны, ныне импортирующей значительную часть энергоресурсов, это чрезвычайно важно.

Россия сегодня значительно отстает от развитых стран как в эффективности энергоснабжения и энергосбережения, так и в развитии альтернативной энергетики, основанной на использовании экологически чистых возобновляемых энергоресурсов. Однако следует отметить, что в настоящее время и в России дело, наконец, то сдвинулось с мертвой точки. Так, в Нижегородской и других областях для выработки электроэнергии предполагается наладить использование биомассы - отходов лесопереработки, в Астраханской - солнечной и ветровой энергии, а в Краснодарском крае еще и геотермальной энергии, а также отходов сельского хозяйства. Как отмечают специалисты, там, где населенные пункты или производства не подсоединены к единой энергосети, где затруднен подвоз топлива, достаточно эффективны ветроэнергетические станции. Например, в Арктической зоне. И такого рода проект в середине 80-х годов в Советском Союзе существовал. Предполагалось создать кольцевую систему длиной 1100 и шириной 40 километров из 238 групп ветроагрегатов на Кольском полуострове, где подходящий по силе ветер дует круглый год [2]. Но, к сожалению, в постперестроечной России об этом проекте благополучно забыли, так его и не реализовав. Еще одним из главных направлений развития альтернативной энергетики XXI века является солнечная энергетика. Солнце излучает ежесекундно 370·1012 ТДж энергии. Из этого количества на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2·105 ТВт, т.е. за год 38·1020 кВт·ч, что в 108 раз больше, чем ныне потребляется во всѐм мире [3]. То есть при использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может практически вечно обеспечивать растущие потребности в ней всего человечества.

Как полагают эксперты Международного энергетического агентства, к 2050 году гелиоэнергетика будет вырабатывать около 9 тыс. ТВт·ч электроэнергии и сможет обеспечить 20-25 % потребностей в ней всего человечества, что существенно сократит выбросы в атмосферу углекислоты (на 6 млрд. тонн ежегодно). Ныне общая установленная мощность энергоустановок в мире превысила 100 ГВт. Лидером солнечной энергетики ныне является Европа [3]. По данным Института энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране. Наибольший потенциал солнечной энергии на юго-западе нашей страны (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей), в Южной Сибири и на Дальнем Востоке. Наиболее перспективными регионами для

171

солнечной энергетики являются: Алтай, Бурятия, Калмыкия, Приморье, Краснодарский, Ставропольский края, Астраханская, Волгоградская Ростовская, Читинская области и другие регионы. Причем уровень солнечной радиации в некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока больше, чем в южных регионах [3].

В сентябре 2010 года в Белгородской области была запущена первая в России солнечная электростанция мощностью 100 кВт. К 2020 году запланирован ввод около 1,5-2 ГВт мощностей, что впрочем, составит менее 1 % в энергобалансе страны. Ныне наиболее развитыми регионами России с точки зрения солнечной энергетики являются: Республика Алтай, Белгородская область и Краснодарский край [3]. В декабре 2011 года в Крыму завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт. Он стал крупнейшим по показателям установленной мощности парком в мире. За ним следуют канадский (97 МВт), итальянский (84,2 МВт) и немецкий (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков 80-мегаваттная электростанция Охотниково в Сакском районе Крыма [3], который в 2014 году вновь вошел в состав России. 4 сентября 2014 года в Республике Алтай официально запущена Кош-Агачская солнечная электростанция. Мощность новой электростанции составляет 5 МВт. Она сможет обеспечивать электроэнергией три района с населением свыше 44 тысяч человек. К 2019 году в Республике Алтай запустят еще четыре солнечные электростанции [3]. Есть и такой перспективный энергоресурс, как геотермия – тепло недр Земли. Разведанные запасы геотермальной энергии более чем в тридцать раз превосходят все ископаемые ресурсы вместе взятые. Германия, Италия, Мексика, Индонезия, Новая Зеландия, Япония, Коста-Рика, Сальвадор, Филиппины и США уже активно добывают энергию из этого источника. А Исландия за счет геотермии полностью покрывает свои потребности в электрической и тепловой энергии. При этом в вулканических регионах планеты высокая температура недр Земли, нагревает геотермальную воду до температур, превышающих 140 – 150 °С, что экономически выгодно использовать для выработки электроэнергии. Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100 °С, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей. Главными достоинствами геотермальной энергии являются: ее практическая неиссякаемость; полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года; возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры) для нужд горячего водо- и теплоснабжения, а также для выработки электроэнергии, либо одновременно для всех трех целей.

Основным недостатком геотермальной энергии является необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт при наличии в ней токсичных веществ, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водоемы. Другой недостаток геотермальной энергии - высокая минерализация термальных вод. Эти недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, где геотермальная электроэнергетика имеет особую правительственную поддержку. В России ныне действуют всего лишь три геотермальные электростанции на Камчатке и одна - на острове Кунашир. Их суммарная мощность 71,8 мегаватт, позволяющая обеспечить примерно 25 % местных потребностей в электроэнергии. Теперь этот ценнейший опыт может быть распространен и на регионы, обладающие не меньшими геотермальными ресурсами – Чукотку, Приморский край, Западную Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградскую область [4]. Не следует забывать и об энергопотенциале морей. В настоящее время построен принципиально новый энергоблок для единственной в стране Кислогубской приливной электростанции, которая из-за финансовых трудностей была закон-

172

сервирована в середине 90-х годов. Если эксперимент в Баренцевом море окажется удачным, планируется создать целую сеть таких электростанций в Белом, Охотском и в том же Баренцевом морях, что способно сделать Россию безусловным лидером приливной энергетики. В целом, по мнению экспертов, только за счет приливов в России можно получать до 20 % всей потребляемой энергии. Таким образом, задача освоения экологически чистых, возобновляемых, или, как их сейчас называют, альтернативных, источников энергии, это неизбежный путь для всего человечества, стремительно движущегося к глобальной энергетической катастрофе.

Литература

1.Постановление правительства РФ от 23. 01. 2009 г. «Основные направления государственной политики в сфере повышения эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».

2.Перспективы ветроэнергетики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://nauka.relis.ru/06/0403/06403006.htm

3.Общемировые перспективы развития солнечной энергетики [Электронный ресурс].

-Режим доступа: http://geoclab.ru/articles/95/2757/

4.Бутузов В.А. Анализ геотермальных систем теплоснабжения России. - М.: Промышленная энергетика, 2011. - 53 с.

1ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»» (г. Воронеж)

2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

V.I. Ryshkov1, S.A. Domnich2

PROBLEMS OF RENEWABLE ENERGY SOURCES

We give a comparative analysis of alternative energy development in Russia and abroad, showing the prospects of its development are the main problems of development of renewable energy and success in overcoming them

Key words: energy, renewable energy, alternative energy, energy complex of the country, wind, solar, geothermal, tidal and bioelektrostantsii, energy efficiency and energy saving

1Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education «Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor

N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin»» (Voronezh)

2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «The Voronezh state Technical University»

УДК 614.841:69

С.А. Сазонова, С.Д. Николенко

ЗАДАЧА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Рассмотрена проблема идентификации текущего состояния функционирующих систем теплоснабжения. Проведение идентификации необходимо с целью обеспечения требуемого уровня безопасности при эксплуатации гидравлических систем. Рассмотрены быстроменяющиеся параметры системы, подлежащие оцениванию в условиях реального времени. По результатам идентификации принимается решение об установке дополнительных перемычек, нормализирующих рабочий режим гидравлических систем

Ключевые слова: математическое моделирование, системы теплоснабжения, идентификация состояния, безопасность функционирования, информационная система, перемычки, резервирование

Проблема идентификации достаточно давно находится в поле зрения исследователей

173

в области диагностики, и программные комплексы для ее решения получили название «математических расходомеров». Что касается оценивания быстро меняющихся параметров, то в настоящее время для трубопроводных систем пока не установлены эффективные средства ее решения и именно эта задача и методы ее решения составляют наибольший интерес при проведении современных исследований.

Качественные и количественные характеристики данных для обработки в информационных системах, применяемых в задачах оценивания, вместе формируют проблему идетифицируемости объекта [1]. В многочисленных исследованиях делаются попытки введения условий идентифицируемости «инженерных сетей», которые по существу заключаются в проверке наличия линейно независимых уравнений их математических моделей. В качестве достаточного условия «топологической» идентифицируемости выдвигается выполнение требования об измерении давлений во всех узлах и расходов в каждом узле и на всех хордах графа сети. К вопросам идентифицируемости относятся также условия существования решения по данным работы сети в нескольких режимах. Получение содержательных оценок неизвестных параметров не всегда гарантируется даже при наличии сильно отличающихся друг от друга режимов, например, при наличии эквивалентируемых фрагментов последовательнопараллельной структуры, которые не содержат путевых отборов или притоков.

Алгоритмы анализа идентифицируемости моделей трубопроводных систем на базе представления их структуры в виде двудольного графа и решения сопряженных задач о паросочетаниях, позволяющие учитывать априорное существование линейной зависимости между отдельными параметрами и уравнениями, предложены в [1].

Применительно к системам теплоснабжения (СТС) в [2] сформулированы и исследованы задачи их идентификации как гидравлических цепей с переменными параметрами. Установлена необходимость такого рода постановок в условиях неизотермических режимов потокораспределения, когда привлечение измерений температур и использование дополнительных уравнений баланса теплоты (в узлах сети и по отдельным элементам), в принципе дает возможность восстановить ненаблюдаемое распределение потоков, а также параметры гидравлических и теплофизических характеристик элементов по результатам измерений, выполненных даже для одного установившегося режима. Предложены рекуррентные варианты алгоритмов оценивания, основанные на применении метода сканирования. Идентификация здесь осуществляется на основе привлечения моделей в виде дифференциальных уравнений, хотя в этом случае приходится выполнять режимно-технологические расчеты на основе конечных алгебраических соотношений.

Специфика СТС также вынуждает формулировать условия, налагаемые на состав измеряемых температур, а также алгоритмы идентификации, которые учитывают разносортность транспортируемых потоков и их путевого смешивания в узлах сети.

Существуют также и альтернативные варианты подходов к оцениванию [3, 4] в отношении степени детализации привлекаемых моделей для задач оперативного управления, например, на основе применения регрессионных зависимостей для описания режимов [5]. Задачи идентификации при этом состоят в установлении формальной связи (например, в виде уравнений регрессии) между управляемым «входом» (режимные параметры активных элементов) и контролируемым откликом («выходом») объекта (расходы, давления). Полученные статистические модели работоспособны при относительно постоянных (нормальных) условия функционирования объекта и теряют свою адекватность при резких изменениях режимов, схем соединения элементов, подключения новых потребителей.

Большое число исследований посвящено вопросам повышения вычислительной эффективности процедур и алгоритмов идентификации [6-8] (с целью повышения их быстродействия и понижения размерности решаемых задач) на основе сведения нелинейных постановок к линейным, применения методов групповой релаксации, декомпозиции исходных моделей и расчетных схем, использования свойств разреженности получаемых систем уравнений, применения различных способов повышения сходимости итерационных алгоритмов при решении

174

сопряженных задач безусловной оптимизации или нелинейного программирования. Инженерная сущность второй задачи заключается в поиске рационального количества и

местоположений установки перемычек на магистральных трубопроводах СТС. Вообще проблемам надежности и экономичности СТС посвящено большое число исследований, в которых практически эти важнейшие показатели устанавливаются для вновь проектируемых объектов. Совершенно другая ситуация возникает, если перемычки устанавливаются на функционирующих объектах. Такая задача уже должна с одной стороны рассматриваться как реконструкция существующей системы, а с другой иметь оптимизационный характер по указанным критериям. К сожалению, корректные подходы к ее формализации пока отсутствуют. При решении задачи имитационного гидравлического расчета определяют суммарный расход транспортируемой среды через комплекс питателей исследуемого фрагмента системы, а в конечном итоге - отклонения этой величины (для возмущенного потокораспределения без учета отказавшего элемента) от ее значения в исходном (невозмущенном состоянии). Полученное значение можно квалифицировать как потерю производственной мощности объекта в аварийной ситуации. Именно этот параметр на наш взгляд и должен рассматриваться как гидравлическая составляющая моделей надежности.

Используемые для этих целей понятия пропускной способности, иными словами максимальная производительность объекта, достижимая при данном его состоянии и расчетных условиях функционирования, и ее потери в аварийных ситуациях едва ли можно считать удобными. Во всяком случае, для гидравлических систем это очевидно, поскольку без эквивалентирования абонентских подсистем расчетные условия, считающиеся известными при ее определении, на самом деле теряют всякий смысл. Кроме того для установления пропускной способности требуется решение сложных оптимизационных задач на основе «потоковых» моделей. В принципе, математические модели, использующие механизм функционального эквивалентирования, не регламентируют характер отказов, то есть количество, и месторасположение отказавших элементов может быть произвольным. Будем полагать, что в состав рассматриваемых систем входят лишь два типа элементов пассивные и активные. Первый тип - линейные участки трубопроводов, второй - устройства с индивидуальными технологическими характеристиками (насосы, регуляторы, резервуары и в зависимости от предназначения гидравлической системы). В имитационных расчетах обычно ограничиваются отказами трубопроводов, допуская, что источники обладают абсолютной надежностью. Учитывая свойства исследуемых объектов и методы их восстановления можно полагать, что отказы являются ординарными и независимыми друг от друга. Используемое на практике секционирование (например, в распределительных сетях газоснабжения среднего и высокого уровня давлений) не является препятствием применения моделей потокораспределения на основе функционального эквивалентирования для имитационного моделирования.

Следует также отметить, что для исследуемых объектов нет необходимости проведения имитационных расчетов для всех без исключения линейных элементов. Достаточно ограничиться лишь множеством тех, которые входят в состав контуров, то есть для них существует структурный резерв. В этом случае все потребители остаются в работоспособном состоянии, то есть, подключены к системе. Имитационные расчеты для оставшихся элементов теряют смысл, поскольку в этом случае определение потери производственной мощности тривиально.

Для решения рассмотренной задачи необходимо выполнять вычислительный эксперимент, объектом исследования в котором выбирается соответствующая гидравлическая система. Ее параметры заранее определены в результате решения задачи проектирования, в ней определены диаметры трубопроводов на участках и установлено потокораспределение. Проектный вариант получен при условиях фиксирования давления в источниках и общего перепада давления на сеть без каких-либо ограничений на используемый трубный сортамент. Затем выполняется цикл имитационных расчетов по прогнозу потокораспределения при отключении каждого участка системы (за исключением тупиковых). Таким образом, необходимо выполнить десятки, а иногда и сотни, вариантов расчетов.

175

Задачу обоснования нагруженного резерва на основе нормирования надежности (то есть без применения векторной оптимизации) по сути можно квалифицировать как задачу, аналогичную параметрической оптимизации. Отличие состоит в том, что она должна выполняться в виде цикла вычислений, каждая итерация которого включает два этапа: первый предназначен для имитации (прогноза) аварийной ситуации, связанной с исключением, вышедшего из строя элемента; второйобеспечивает нахождение резерва по всей совокупности оставшихся элементов, гарантирующего лимитированное потребление у абонентов. Общее количество итераций в цикле определяется числом элементов, подлежащих проверке на случай отказа и устанавливается пользователем. Первый этап представляет собой задачу анализа возмущенного состояния и выполняется на основе моделей потокораспределения.

По отношению к исходному (нерезервированному) варианту системы, процесс формирования нагруженного резерва рассматривается как последовательная корректировка диаметров линий в сочетании с анализом ее возмущенного состояния. В этом случае использование гидравлических эквивалентов абонентских подсистем позволяет реализовать задачу на основе унарной расчетной схемы и кроме того связать граничные условия (лимитированное потребление) с режимными ограничениями. Естественно, что исходя из сущности задачи, ее можно было решать и на основе бинарной расчетной схемы с привлечением того же аппроксимационного алгоритма, однако при этом пришлось бы сразу вводить множители недопустимости на фиктивные элементы схемы, причем размерность системы уравнений стала бы значительно больше. Этап резервирования в имитационных расчетах по отказу каждого последующего участка начинался со значений диаметров, обеспечивающих резерв предыдущего. Интересно, что в ходе вычислений расчетные значения всех диаметров претерпевают изменения, однако на этапе стандартизации новый размер диаметра получают лишь некоторые из участков относительно проектного варианта сети после первого этапа, причем по мере продвижения по списку испытываемых элементов их число убывает. Следует отметить, что основные теоретические положения и полученный на их основе алгоритм формирования параметрического резерва может быть использован не только для систем теплоснабжения, но и для других гидравлических систем по аналогии, с учетом соответствующих особенностей. Реализация поставленной задачи для СТС требует решения ряда дополнительных задач [8], решаемых комплексно и обеспечивающих надежность функционирования и безопасность систем. В рамках комплексных задач необходимо рассматривать так же задачи пожарной безопасности [9-11]. Комплексное решение поставленных задач обеспечит требуемый уровень безопасности на объектах защиты и позволит оперативно принять решение в случае нарушения режимов эксплуатации сложных исследуемых систем.

Литература

1.Гамм А.3. Нелинейная наблюдаемость электроэнергетической системы [Текст] / А.3. Гамм // Изв. ЛН СССР. Энергетика и транспорт. - 1980. - № 2. - С. 3 - 14.

2.Новицкий Н.Н. Оценивание параметров гидравлических цепей [Текст] / Н.Н. Новицкий. - Новосибирск: Наука, Сибирское предприятие РАН, 1998. – 213 с.

3.Квасов, И.С. Оценивание параметров трубопроводных систем [Текст] / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров // В сборнике: Информационные технологии и системы. Материалы III Всероссийской научно-технической конференции - Воронеж, 1999. - С. 112-113.

4.Квасов, И.С. Оценивание параметров трубопроводных систем на основе функционального эквивалентирования [Текст] / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров // В книге: Понтрягинские чтения - Х. - Воронежский государственный университет, 1999. - С. 219.

5.Фомин В.Н. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация [Текст] / В.Н. Фомин. - М.: Наука, 1984.

6.Квасов, И.С. Информационные системы технической диагностики трубопроводных сетей [Текст] / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров // В книге: Математическое моделирование в естественных и гуманитарных науках. Тезисы докладов Воронежский государ-

176

ственный университет. - 2000. - С. 105.

7.Квасов, И.С. Синтез систем сбора данных для распределительных гидравлических сетей [Текст] / И.С. Квасов, С.А. Сазонова, В.Е. Столяров // В сборнике: Информационные технологии и системы. Материалы III Всероссийской научно-технической конференции Воронеж, 1999. - С. 113-115.

8.Николенко, С.Д. Обеспечение безопасности земляных работ с применением расчетов прикладной механики [Текст] / С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Моделирование систем

ипроцессов. - 2016. - Т. 9. - № 4. - С. 47-51.

9.Сазонова, С.А. Численное решение задач в сфере пожарной безопасности [Текст] / С.А. Сазонова, С.Д. Николенко // Моделирование систем и процессов. - 2016. - Т. 9. - № 4. - С. 68-71.

10.Николенко, С.Д. Автоматизация расчетов по интегральной математической модели времени эвакуации людей при пожаре [Текст] / С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Моделирование систем и процессов. - 2017. - Т. 10. - № 1. - С. 43-49.

11.Сазонова, С.А. Расчет коэффициента теплопотерь на начальной стадии пожара с применением информационных технологий [Текст] / С.А. Сазонова, С.Д. Николенко // Моделирование систем и процессов. - 2016. - Т. 9. - № 4. - С. 63-68.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

S.A. Sazonova, S.D. Nikolenko

THE PROBLEM OF SAFETY IN THE IDENTIFICATION OF THE TEMPLATE

OF EXPLOITABLE HEAT SUPPLY SYSTEMS

The problem of identification of the current state of functioning heat supply systems is considered. The identification is necessary to ensure the required level of safety in the operation of hydraulic systems. We consider fast-changing parameters of the system, which are subject to estimation in real-time conditions. Based on the results of identification, a decision is made to install additional jumpers normalizing the operating mode of hydraulic systems

Key words: mathematical modeling, heat supply systems, state identification, operational safety, information system, jumpers, reservation

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical University»

УДК 628.4; 504.06

А.В. Звягинцева1, А.О. Артемьева2, Р.Н. Комарский3

НОВЕЙШИЕ ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ НАКОПИТЕЛЬНЫХ ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В СОВРЕМЕННЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

На основе электрохимических систем продемонстрирован вариант водородного аккумулятора. В качестве основы был использован никель, как материал, обладающий большей склонностью кпоглощению водорода. Образованная таким образом система является плотноупакованной, что обеспечивает получение компактного образца с коммерческой нормой насыщенного водорода. Описываются пути исследования и методология синтеза структур эдектрохимических композитов Nix-Iny-Hz на основе никеля с намеренно увеличенной степенью дефектности. Синтезирован электрохимический композит Ni-In с фазовым составом - Ni70In30, который обладает структурой, обеспечивающей удержание допированного дейтерия (водорода). Показывается, что содержание водорода в экспериментальных образцах композита Nix-Iny-Hz, определенное методом термодесорбции, составило ~ 6 мас. %, что подтверждает: гальванически полученный композит обладает способностью к накоплению водорода и дальнейшему сохранению его в форме металлических гидридов

Ключевые слова: водород, дейтерий, материалы, аккумуляторы водорода, дефектность структуры, гидриды ме-

таллов

Вследствие повышенного спроса на используемые во всем мире невозобновляемые

177

углеродистые энергоносители, такие как уголь, бензин, возникла необходимость найти альтернативные источники энергии. В настоящее время водород рассматривается как альтернативный источник энергии, который можно использовать в топливном элементе, представляющим собой источник питания, непосредственно преобразующий водород в электрическую энергию.

Одной из важнейших проблем использования водорода в энергетике и в системах питания является его безопасное хранение и использование при сравнительно малых эксплуатационных расходах. Исследуемая в работе система гидридного хранения успешно разрешает эту актуальную проблему. Химическое соединение водорода в форме металлических гидридов обладает целым рядом преимуществ по сравнению с традиционными способами, такими, как криогенный и балонный, которые небезопасны и энергоемки.

Научная новизна нашего проекта заключается в том, что нами впервые исследовалась способность электрохимических систем к поглощению водорода [1, 2].

Переходя к проблемам водородной энергетики, необходимо сосредоточить внимание на главном - энергетической целесообразности разрабатываемого процесса. Так, водородные технологии для космоса не могут быть адекватно перенесены из стационарных водородных комплексов наземного базирования, поскольку операции компримирования, ожижения и криостатирования водорода крайне энергозатратны. Что же касается хранения водорода, то решение этого вопроса носит пока только дискуссионный характер. Так, по мнению одних авторов [3], разработка гидридного метода хранения водорода бесперспективна, поэтому за основу должен быть принят способ компримированного хранения водорода. Главное сомнение сторонников базируется на тезисе о том, что водород закрепляется в структуре металла только по междуузлиям, в нашем представлении [4, 5] водород взаимодействует с металлами также по дефектам структуры.

Согласно нашим экспериментальным данным, общий объем водорода, поглощаемого образцом, может быть определен по формуле:

VН 2 kД mсплава / сплава Э,

где kД - концентрация дефектов в единице объема; mсплава - масса сплава; ρсплава - плотность сплава; Э - электрохимический эквивалент водорода в гидриде никеля NiH2 или алюминия

AlH3.

По мнению ряда авторов [3], в качестве систем, аккумулирующих водород целесообразно использовать порошковые материалы. Однако такие системы могут оказаться неэффективными. На рис. 1 демонстрируется пример структур на основе порошков или имеющих аморфную структуру. Наличие оксидного слоя резко повышает ширину запрещенной зоны и увеличивает сопротивление образца.

Решение проблемы развития поверхности для цельнометаллической структуры предполагается осуществить с использованием импульсных электрохимических методов. В частности, для выбора режимов оптимизации технологических параметров, разработана математическая модель образования пористых структур в металлах, склонных к пассивации [2]. При этом было предложено ввести ряд ограничений:

1.Концентрация электролита на всей поверхности образца постоянна;

2.Температура электролита также не меняется;

3.Плотность тока по образцу - равнораспределенная;

4.Абсолютное отсутствие полей другой природы;

5.Концентрация электролита постоянна во времени.

178

Источники питания могут использоваться и в режимах больших токов и малых временных периодов (режим стартера) или, наоборот, в режимах длительного использования при небольшом потреблении тока. Эти особенности их работы могут быть учтены путем формирования соответствующих типов морфологической структуры для накопления водорода, которые будут определяться технологическими параметрами режимов анодной обработки фольги. Морфология формирования пор на фольге из сплава Al-B для различных типов аккумуляторов представлена разными видами (рис. 2). Морфология внутренней структуры пористой системы имеет древовидную форму. То есть каналы внутри электрода отличаются по сечению и протяженности. Возникает так называемый редукционный эффект, который полностью исключает взрывной характер экстракции и позволяет эффективно регулировать подачу энергии. Схема работы топливного элемента на водном растворе электролита дана на рис. 3.

Рис. 2. Морфология структуры электрода водородного аккумулятора для разных режимов работы

Рис. 3. Топливный элемент на водном растворе электролита

Топливные элементы используются для непосредственного окисления водорода при электрохимическом преобразовании. Разработанная система позволяет более эффективно использовать водород для осуществления процесса его окисления на отрицательном электроде. Номинальное значение ЭДС такого элемента составляет примерно 0,9 В, в качестве окислителя используется кислород воздуха. Особо необходимо отметить экологическую значимость исследований: это поиск возможной замены углеводородного сырья на альтернативные источники энергии (без выбросов в атмосферу продуктов сгорания углеводородов). Важно также отметить компактность электрохимических систем для хранения водорода в виде гидридов металлов. Применение альтернативных источников энергии для хранения водорода в виде гидридов металлов в работе двигателей внутреннего сгорания может позволить сократить потребление топлива более чем на 50 %. Кроме этого, снизить уровень загрязнения окружающей среды выбрасываемыми частицами пыли на 90 % и выхлопами оксидов азота на 50 %.

180