КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-19-20011

НазваниеМетодология многопараметрической оптимизации опреснительной установки для грунтовых и морских минеральных вод на основе возобновляемых источников энергии

РуководительСоломин Евгений Викторович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)", Челябинская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые словаЭксергия, термодинамический эксергетический анализ, опреснение, возобновляемые источники энергии

Код ГРНТИ29.17.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Междисциплинарный проект заключается в проведении фундаментально-прикладных исследований с дальнейшей разработкой прототипа инновационной установки и технологии опреснения грунтовых минеральных и морских вод на основе комбинированного органического цикла Ренкина с элементами цикла Калина, за счет термодинамического тепло- и массообмена с солнечными коллекторами с электроснабжением от фотоэлектрических преобразователей (и/или опционально генераторов ветроэнергетических установок). АКТУАЛЬНОСТЬ Тематика проекта охватывает три основных жизненно важных для человечества сферы: производство электрической и тепловой энергии, сокращение выбросов парниковых газов и подготовку чистой воды. Предлагаемая авторами тема относится к сложным методам математического и физического моделирования комбинированных электро-тепло-технологических объектов в сфере опреснения воды и возобновляемой энергетики. Авторы планируют разработать многофункциональную установку для производства электрической и тепловой энергии с использованием теплоты грунтовых вод для последующего их опреснения за счет собственной произведенной энергии. Данная проблема актуальна для районов с дефицитом как электроэнергии, так и водных ресурсов, наблюдаемым практически повсеместно во всем мире. По статистике не более 7% населения планеты имеют доступ к чистой питьевой воде, причем проблема не решается столетиями, - например, Израиль с середины XX века и до сих пор возит чистую воду танкерами из рек Турции, а в Индии и Африке люди гибнут из-за отсутствия питьевой воды (каждые 2 минуты в мире умирает 1 ребенок от недостатка питьевой воды или отравления), несмотря на колоссальные местные подземные минерально-водные и солнечно-ветро-энергетические ресурсы. В России эта проблема связана с растущим дефицитом чистой воды во всех без исключения регионах, особенно, для крупных мегаполисов. Однако и в сельских областях дефицит пресной воды начинает ощущаться все острее в связи с загрязнением и истощением традиционных источников воды (колодцев и скважин), обветшанием электросетей (осуществляющих электроснабжение водоснабжения), а также в результате климатических изменений, приводящих к обмелению водоемов. Причем локализация и автономизация источников энергии и воды сегодня предпочтительна, поскольку централизованное электро- и водо-снабжение в мире все чаще становится невостребованным, вандально-уязвимым и/или убыточным, - остро стоит мировая проблема с подведением электрических сетей к местам проживания людей – распределительные сети либо отсутствуют, либо в большинстве своем значительно обветшали, и в ряде случаев подвергаются периодическим разрушениям и хищениям. А источники воды подвержены все более частым террористическим угрозам. Предлагаемые научные методы позволяют снизить экономические и социально-экологические издержки при проектировании и эксплуатации локальных автономных комплексов по опреснению грунтовых вод до уровня питьевого качества с электроснабжением за счет возобновляемой солнечной энергии. На данный момент авторы имеют в виде задела в наличии прототип теплонасосной установки, которую необходимо интегрировать в многоцелевой комплекс по генерации электрической энергии и опреснению грунтовых и морских минеральных вод. Разработана концепция модуля опреснения воды с помощью мембранного метода и испарительного метода. Системы электро- и тепло-снабжения на солнечных модулях и коллекторах хорошо известны, однако у авторов проекта имеется новая инновационная разработка конструкции фотоэлектрического-теплового модуля, сочетающего функции PV-модуля и коллектора, значительно повышающего общий КПД системы электро-тепло-снабжения. Имеется ряд предметных публикаций партнеров в журналах Q1 – один из последних: Спецвыпуск журнала Energies «Special Issue "Solar PV, Thermal, Concentrator and Hybrid Power Systems", итого 6 статей в данном выпуске: (https://www.mdpi.com/journal/energies/special_issues/PV_Power_Systems). В ходе проекта будет разработана методологическая концепция для проведения оптимизации в рамках эксергетического метода термодинамического анализа. Этот анализ предполагается провести на основе опытных данных, полученных на прототипе теплонасосной установки, системы электроснабжения и системы опреснения. Подобные неавтономные комплексы устанавливаются на промышленных предприятиях по добыче грунтовых минеральных вод. Однако их энергетическая эффективность чрезвычайно низка. Согласно фундаментальным основам физики работоспособность потока складывается из эксергии и анергии, которые необходимо учитывать при оптимизации. Будет проведен глубокий фундаментальный анализ исследований, выделены основные этапы развития оптимизационных методов термодинамического анализа теплотехнических устройств и термодинамических процессов в энергетической отрасли. Также будут определены наиболее перспективные разработки в области технической термодинамики и оптимизационных задач в области термодинамических систем и комплексов в комбинации с электроэнергетическим оборудованием. Актуальность проекта для Российской Федерации определяется его направленностью на решение задач, сформулированных Указом Президента РФ от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации». НАУЧНАЯ НОВИЗНА Научная новизна представлена новыми знаниями по раскрытию и развитию эксергетических методов оптимизации соотношения «эксергия-анергия» с созданием соответствующих компьютерных моделей, методик оптимизации распределения энергопотоков между компонентами термодинамической системы, повышению эффективности установки в целом. Техническая новизна состоит в использовании комбинированного фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) для электроснабжения как теплового насоса, так и непосредственно опреснения, с использованием низкопотенциального тепла грунтовых вод и подготовки исходной воды с помощью солнечных коллекторов, комбинированных с ФЭП. Также будет проведен глубокий термодинамический сравнительный анализ эффективности работы систем «солнечный коллектор – солнечный модуль» и интегрированной фотоэлектрической-тепловой системы, включающей фотоэлектрический преобразователь и коллектор, отводящий тепло от модуля и тем самым повышающий КПД PV-преобразователя с одновременным нагревом воды для последующего выпаривания. Более того, сравнительный анализ также будет проведен в части определения эксергетической эффективности выпаривателя и мембранного опреснителя. Эксергетические потери будут рассчитаны не только для самого грунтового теплового насоса с хладагентом R407C, но и для электрогенерирующего и опреснительного компонентов системы. Методология исследования заключается в комплексной оценке эксергетических потоков, их оптимизации при помощи новых методов аппроксимации кусочно-линейных функций, а также разработке предпосылок к использованию анергии как одного из компонентов нового вида анализа эффективности работы низкопотенциальных источников энергии. В результате обработки экспериментальных данных будут получены значения Coefficient of performance (COP), эксергетической температуры для нижнего источника теплоты, для верхнего источника теплоты, эксергетического КПД отдельных компонентов и установки в целом, суммарные потери удельной эксергии теплового насоса. Для сбора данных будут использованы контроллеры типа STM-32 с коммуникационным протоколом Modbus. Гидродинамическое моделирование осуществляется в пакетах Ansys CFX/CFD/Fluent. Для обработки экспериментальных данных будут использоваться Matlab Simulink и VisSim. При проведении процедуры оптимизации режимов работы и выбора нескольких режимов с минимальными эксергетическими потерями важная роль отводится математическим способам обработки статистических данных. В результате будет показана методика повышения эффективности работы теплового насоса, в первую очередь основанная на применении солнечных коллекторов и фотоэлектрических преобразователей в качестве основного или резервного источника питания и оптимизации эксергетических потерь за счет эксерго-анергетической оценки режимов работы. Ошибки измерений параметров теплонасосной установки авторы представят в виде 3D кривой Гаусса, что станет возможным только при применении новых методов аппроксимации при обработке измерений. ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ В ходе проекта будет создан прототип (экспериментальный образец) автономного многоцелевого комплекса мощностью до 1 кВт, включающего фотоэлектрический-тепловой преобразователь (для выработки электрической и тепловой энергии), теплонасосный модуль (для подачи исходной минерализованной или морской воды в опреснитель), опреснительный модуль (для скоростного опреснения воды на основе мембранного и/или испарительного метода). Соответствующие пояснения и рисунки приведены в Приложении 1. Проект является междисциплинарным, фундаментально-практическим и имеет почти стопроцентные шансы на коммерциализацию непосредственно сразу после окончания проекта, с постановкой на серию в течение 1-2 лет. Согласно данным ООН, потребность в подобных комплексах исчисляется сотнями тысяч единиц оборудования в различных модификациях, таким образом, экономический эффект от внедрения и реализации разрабатываемых комплексов средней стоимостью 25-50 тыс.руб. за 1 кВт установленной мощности составит более 10 млрд. рублей. В ходе проекта планируется выпустить не менее 16 научных статей, в том числе не менее 10 статей в Scopus / Web of Science, преимущественно в Q1, что отражает 2-кратное превышение условий конкурсной документации.

Ожидаемые результаты
НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В проекте предполагается создание новой методологии, т.е. целостного учения о существующих и вновь разрабатываемых эксерго-экономических методах термодинамического анализа энерготехнологических систем, включая генерацию теплоты и ее потребление, с оптимизацией компонентов оборудования на основе вычисления целевых функций. Разработанная технология является принципиально новым научным подходом, не имеет аналогов и подлежит обнародованию в научном мире и применению в практической части проекта. Практическая часть проекта предполагает проведение научных и практических исследований с последующей разработкой способа и установки нагрева и опреснения грунтовых вод в комбинации с автономной двухконтурной каскадной системой утилизации и регенерации теплоты в технологическом цикле опреснения воды с цифровой интеллектуальной системой управления. Повышенная эффективность полностью автономного тепло-опреснительного комплекса достигается за счет генерации дополнительной теплоты солнечными коллекторами и генерации электроэнергии для системного оборудования с помощью интеллектуальных астроследящих систем на основе экстремального цифрового управления угловой ориентацией фотоэлектрических преобразователей (и скомбинированных с ними солнечных коллекторов), установленных на платформах параллельной кинематики, а также высокоэффективных многоярусных вертикально-осевых ветроэнергетических установок. Особенностью астроследящих систем является работа приводных устройств в области сверхнизких скоростей перемещения, а также обязательным является режим удержания номинального момента при нулевой скорости. Преимуществом применяемых ветроэнергоустановок является отсутствие необходимости ориентации, повышенный коэффициент использования энергии ветра за счет уникальной многоярусной конструкции ротора, отсутствие необходимости стопорения на буревых ветрах. В качестве теплоносителя системы утилизации теплоты будут использованы различные жидкости (в том числе нано-жидкости, т.е. включающие ряд нано-добавок во изменение физических свойств). Аналогов указанного оборудования в мире не выявлено, предварительные расчеты показывают, что результаты значительно превысят уровень исследований, осуществляемых западными и восточными научными коллективами. Разработки основаны на базовых и фундаментальных теориях тепло- и массообмена, в том числе уравнения теплопроводности, конвективного теплообмена, излучения, диффузионного обмена, движения одно- и двухфазных потоков жидкостей и реальных паров, а также на принципах создания электрогенерирующих устройств; электроприводов, электротехнических и мехатронных комплексов на их основе, а именно параметрическом синтезе и алгоритмах оптимизации, теории электромеханического преобразования энергии и автоматического управления нелинейными объектами с переменными параметрами (в том числе системами экстремального цифрового регулирования); и систем проточного опреснения на основе обратного осмоса и/или сверхскоростного ионного разделения потоков. Установка, реализующая данную схему в условиях повышенной интенсивности солнечного излучения и/или высокого валового ветрового потенциала (например, в ряде широт Арктики), подлежит использованию в комбинации с солнечными коллекторами для снижения энергозависимости установки от систем нагрева теплоносителя. Оптимизация процессов с вычислением соответствующих целевых функциями отрабатывается в различных рабочих режимах работы для покрытия собственных нужд органического цикла Ренкина с элементами цикла Калина. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Междисциплинарный проект заключается в проведении фундаментально-практических исследований с дальнейшей разработкой прототипа инновационной установки и технологии опреснения грунтовых минеральных и морских вод на основе комбинированного органического цикла Ренкина с элементами цикла Калина, за счет термодинамического массообмена с солнечными коллекторами с электроснабжением от фотоэлектрических преобразователей и/или ветроэнергетических установок. Тематика проекта охватывает три основных жизненно важных для человечества сферы: комбинированное производство электрической и тепловой энергии, сокращение выбросов парниковых газов и подготовку чистой воды. КОНКРЕТНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТА 1. Новая методология эксерго-экономического анализа, созданная на основе известных и вновь сформулированных методах термодинамического анализа теплоэнергетических комплексов, их обобщения и структуризации. Значимость заключается в структуризации и обобщении знаний о методах эксерго-экономического анализа, что призвано изменить представление о методологических подходах к термодинамическому анализу. 2. Новая технология опреснения грунтовых минеральных и морских вод на основе солнечных коллекторов, комбинированного органического цикла Ренкина с элементами цикла Калина, с электроснабжением от высокоэффективного энергокомплекса на основе возобновляемых источников энергии (фотоэлектрического преобразователя с интеллектуальной системой трекинга и/или многоярусной вертикально-осевой ветроэнергетической установкой). Значимость технологии как теоретическая, так и практическая, в части универсализации опреснения воды как за счет традиционного энергоснабжения, так и за счет возобновляемых источников. 3. Новые методы оптимизации и оптимизированный процесс опреснения грунтовых вод на базе эксерго-экономического метода термодинамического анализа комбинированного органического цикла Ренкина с элементами цикла Калина. Значимость как теоретическая в части создания методологии на основе известных и новых методов оптимизации, так и практическая в части получения оптимальных параметров компонентов и оборудования в целом. 4. Новый действующий макетный образец опреснителя на основе энергоснабжения от возобновляемых источников. Значимость чисто практическая, по окончании проекта изделие мощностью до 1 кВт подлежит технологической доработке для постановки на серию и последующей коммерциализации. Общественная значимость проекта заключается в получении возможности сокращения вредных выбросов в атмосферу с практически полной утилизацией тепла и увеличением объема генерации от возобновляемых источников, с соответствующим вкладом в снижение глобального потепления планеты. На каждом этапе осуществляется выпуск публикаций в высокорейтинговых журналах мирового уровня, индексируемых международными системами научного цитирования Scopus и/или Web of Science с 2-кратным превышением требований конкурсной документации. Таким образом, результаты проекта внесут заметный и значительный вклад в решение нескольких сформулированных в заявке мировых научных проблем для выбранного научного направления Н2 из Стратегии НТР РФ: Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, формирование новых источников энергии. В плане практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере можно утверждать, что в связи с созданием универсального оптимизированного комплекса опреснения воды на основе возобновляемых источников, результаты будут иметь долгосрочные перспективы для новых наукоёмких разработок и создания технологий, продуктов и услуг, отвечающих национальным интересам Российской Федерации и необходимых для существенного повышения качества жизни населения. Для Челябинской области значимость проекта является практической и жизненно-необходимой. За 2021 год дефицит водных осадков привел к обмелению практически всех областных водоемов, в результате чего уже в 2022 году при повторной засухе может развиться коллапс с дефицитом питьевой воды для города Челябинска и ряда районных центров, уже не говоря о локализованных питьевых источниках типа колодцев в ряде поселков. Возможность опреснения грунтовых вод как локально, так и с помощью скоростной очистки, также исследуемой проектом, создаст предпосылки для использования грунтовых, дождевых, озерных и речных вод. Данный подход может значительно улучшить позиции региона в части освоения подземных и наземных водных ресурсов. Отдельным результатом для Челябинской области будет являться результат проекта в части взаимодополняющей комбинации фотоэлектрического преобразователя и солнечного коллектора. С учетом роста электрификации разрозненных хозяйств (ряд домов и садов оборудован солнечными модулями) и промышленных предприятий (например, ОАО «РЭД», г. Челябинск) солнечными электростанциями, такой подход позволит ускорить наращивание темпов оснащения предприятий и жилых массивов генераторами на основе возобновляемых источников энергии.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---