Альтернативная энергетика на объектах военного назначения: литературный обзор

Размещено на http://allbest.ru

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА НА ОБЪЕКТАХ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ: ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

А.Ю. Тычков, С.Д. Исаев, Н.С. Иванов,

М.В. Кирин, Я.В. Матанов

Аннотация. Рассматриваются различные способы получения альтернативных источников энергии, обеспечивающие бесперебойную работу средств военного назначения. Предметом исследования являются военная техника, снаряжение военнослужащего и объекты инфраструктуры, используемые, как правило, в полевых условиях и местах, отдаленных от средств электрификации и газификации территорий. Проводится литературный обзор широкого применения источников альтернативной энергии при проектировании и организации производства объектов военного назначения, представляющих собой перспективные решения, соответствующие стратегии научно -технологического развития РФ. Рассматриваются области практического применения солнечной энергии, энергии ветра, биотоплива, водородного топлива, ядерной энергии и термоэлектричества при создании новых видов объектов военного назначения.

Ключевые слова: альтернативная энергия, инфраструктурные объекты, средства военного назначения.

альтернативный источник энергия военная техника инфраструктура

Введение

В современном научном обществе энергетика является базой для развития основных отраслей промышленности и производства. Исследование, результаты которого представлены в настоящей статье, соответствует направлению стратегии научно-технологического развития Российской Федерации «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».

Альтернативная энергетика - это совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые предоставляют производителям военной техники больше возможностей для эффективного ее применения при низком риске причинения вреда окружающей среде и здоровью военнослужащих и гражданских лиц [1].

В природе различают следующие виды альтернативной энергии: солнечная энергия, энергия ветра, биотопливо, водородное топливо, ядерная энергия, термоэлектричество.

В настоящее время разрабатываются различные способы получения альтернативной энергии. Необходимость этого обусловлена работой на территориях и полигонах, отдаленных от средств электрификации и газификации. Далее приведен литературный обзор широкого применения различных источников альтернативной энергии для создания новых видов военной техники, снаряжения военнослужащих и объектов инфраструктуры.

Направления применения альтернативной энергии

Самым распространенным и доступным видом альтернативной энергии является солнечная. Солнце - это самый мощный на сегодняшний день источник энергии. Применение данного вида энергии является распространенным явлением, солнечные элементы и аккумуляторы получили большую популярность [2-4].

Принцип работы всех солнечных элементов построен на фотоэлектрическом эффекте - преобразовании энергии света в электричество [5]. Впервые солнечные элемен-

ты были применены на космических спутниках «Vanguard-l» (США) и «Спутник-3» (СССР) в 1958 г. [6].

Развитие солнечной энергетики привело также к созданию тонких и гибких энергоемких панелей, применяемых в производстве оборудования и средств военной техники (рис. 1) [7, 8].

Рис. 1. Мобильный комплект на солнечных батареях

В Вооруженных силах США солнечные модели получили широкое распространение при развертывании временных военных лагерей с палатками и тентами из гибких солнечных панелей (рис. 2) [9].

Рис. 2. Военный лагерь на солнечных батареях

Наравне с солнечной энергией наиболее доступной считается энергия ветра. В настоящее время общая мощность действующих, конструируемых и планируемых к вводу на территории России ветроэнергетических установок и ветроэнергетических систем составляет 200 МВт. Мощность отдельных ветрогенераторов, изготавливаемых российскими предприятиями, находится в диапазоне от 0,04 до 1000 кВт [10]. В армии США применяется переносное устройство генерации энергии - RENEWS (Reusing Existing Natural Energy, Wind, and Solar) [11]. REN EWS представляет собой переносную ветряную турбину, предназначенную производить до 300 Вт энергии в полевых условиях.

Получение биогаза из отходов также стало одним из решений альтернативной энергетики. Стоки от производств животного происхождения считаются в 10 раз опаснее, чем коммунальные или бытовые. Получение биогаза влияет на снижение объемов отходов и соответственно степени использования энергии из углеводородного сырья. В состав биогаза, как правило, входят метан (40-60 %), углекислый газ (30-44 %), азот (5-25 %), а также незначительно водород и сероводород. Количество биогаза зависит от используемого сырья. При переработке одной тонны отходов животного происхождения можно получить 400-500 м³ биогаза. Однако теплота сгорания данного топлива по прежнему уступает природному: 1 м³ биогаза эквивалентен 0,8 м³ природного газа [12].

Другой вид альтернативной энергии - водород-воздушные топливные элементы, представляющие собой перспективные энергетические системы при высоком КПД (50-75 %) и отсутствии вредных выбросов. Принцип работы водород-воздушных топливных элементов заключается в расщеплении молекул водорода на протоны и электроны. Химическая энергия молекул водорода и кислорода преобразуется в электрическую энергию (с КПД до 60 %), а результатом реакции является чистый водяной пар [13].

Электрохимический генератор (ЭХГ) представляет собой химический источник тока, в котором реагенты в ходе электрохимической реакции поступают к электродам. ЭХГ состоит из батареи топливных элементов, систем хранения и подачи реагентов, отвода продуктов реакции, контроля и автоматического управления [14].

С середины 1970-х гг. в СССР, США, ФРГ, Франции, Японии начаты работы по созданию и использованию водородно-кислородных и особенно водородно-воздушных ЭХГ. Применение таких видов источников энергии в радиоустройствах способствовало решению проблемы сохранения чистоты окружающей среды. В работе А. И. Груздева [15] отмечается, что КПД водородно-кислородных ЭХГ, созданных в СССР и США, достигает 70-80 %, КПД ЭХГ, работающих при постоянном давлении и температуре, теоретически может достигать 100 % [15].

Водород как альтернативный источник энергии нашел широкое применение при производстве беспилотных летательных аппаратов [16]. Известный беспилотный аппарат «Инспектор-402» (рис. 3) работает на водородном топливе, что обеспечивает тихий ход, бесшумность и отсутствие тепловых следов в небе. Водород используется в качестве топлива в гибридных силовых установках тяжелых и сверхтяжелых летательных аппаратов и в элементах с ионообменной мембраной.

Рис. 3. Беспилотный аппарат «Инспектор-402»

Компания NEC Corporation в 2003 г. объявила о серийном выпуске полевого персонального компьютера, работающего на метаноле [17]. Время работы такой системы на одной зарядке составляет не менее 2 ч. Однако метанол оказывает сильное токсичное влияние на организм человека даже в небольших количествах [15].

ФГУП ГНПП «Квант» [18] в 2005 г. представило миниэлектростанции с выходным напряжением мощностью до 60 Вт на базе солевого электролита. Более ранние разработки, такие как тепловые батареи, обеспечивали питание ракетных комплексов «С-300», «С-400», «Смерч», «Булава», «Торнадо», «Искандер», «Пакет», «Аврора», «Загон», «Ярс» [19].

В последние несколько лет вводятся в эксплуатацию электроустановки на базе расплавленно-карбонатных топливных элементов. На авиабазе США «Miramar» применяется электроустановка мощностью 250 кВт [15].

На сегодняшний день насчитывается несколько сотен атомных электростанций по всему миру [20]. Количество энергии, которое выделяется при делении ядер некоторых радиоактивных элементов несравнимо велико, что сделало возможным создание атомных электростанций. Данную энергию получают в результате деления ядер урана-235 или плутония [21]. Уран имеет широкое распространение, но при этом труднодоступен. Самые богатые урановые руды содержат до 10 % чистого продукта. Радиоактивный торий напоминает уран, но отдает в 90 раз больше энергии. Торий играет второстепенную роль в ядерных реакторах. Его запасы в земле превышают запасы урана в 3-4 раза, так что потенциально торий способен обеспечить человечество энергией на сотни лет [22]. Данный вид энергии используется на атомных подводных лодках и атомных ледоколах [23]. Все существующие в настоящее время атомные ледоколы спроектированы в СССР и России: «Севморпуть», «Таймыр», «Вайгач», «Ямал» и «50 лет Победы».

В 1989 г. опубликована первая работа об электрохимическом индуцированном ядерном синтезе - превращении дейтерия в тритий или гелий в условиях электролиза на палладиевом электроде [24]. В то же время исследователи вычислили, что при синтезе ядер водорода получается в пять раз больше энергии, чем при делении урана-235 [25]. Данные публикации заложили фундаментальную основу развития ядерной энергетики в XXI в.

Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) - явление образования электродвижущей силы внутри замкнутой электропроводящей цепи, сформированной разнородными проводниками с помощью последовательного соединения и разницы в температуре на спаях [26]. Данный эффект нашел широкое применение в производстве термоэлектрических генераторов, позволяющих обеспечить преобразование сбросовой тепловой энергии, выделяемой двигателем машины, в форму электрической энергии [27].

Устройства, работающие на эффекте Зеебека, нашли широкое применение в военной сфере, а именно для энергообеспечения космической техники и усовершенствования новой системы боевой экипировки третьего поколения «Сотник» (рис. 4) [28].

Рис. 4. Комплект боевой экипировки «Сотник»

Заключение

Авторами настоящей статьи проведен обзор описанных в литературе известных решений средств и объектов инфраструктуры военного назначения, в которых нашли широкое применение источники альтернативной энергии. Анализ литературных источников по тематике исследования показал, что число работ, в которых рассматриваются вопросы развития альтернативной энергии, достаточно велико.

Дальнейшие пути развития альтернативной энергетики должны соответствовать приоритетам развития РФ с учетом специфики различных войск и их географического положения. Перспективным направлением практического применения солнечной энергетики и биотоплива должна стать малогабаритная модульная механизированная военная техника, направленная на обеспечение безопасности и сохранение здоровья населения.

Библиографический список

1. Арсентьева, Н. А. Альтернативная энергетика / Н. А. Арсентьева. - Чебоксары : Нац. б-ка Чуваш. Респ., 2014. - Вып. 2. - 16 с.

2. Ученые Южной Кореи создали подкожную солнечную батарею. - URL: https:// nauka.tass.ru

3. Во Франции открыли первую дорогу из солнечных панелей. - URL: https://theuk.one

4. Применение солнечных батарей. - URL: https://www.sun-battery.biz

5. Кислов, А. Н. Внешний фотоэффект и его основные законы : метод. указания / А. Н. Кис- лов. - Екатеринбург : ГОУВПО УГТУ-УПИ, 2005. - 22 с.

6. Солнечным батареям - 60 лет. - URL: https://habr.com/ru

7. Подъем солнечной энергетики на американских военных базах. - URL: http:// aenergy.ru/4287

8. Российские военные начнут заряжать свое оборудование с помощью солнечных батарей. - URL: https://tass.ru

9. Рябов, Н. В. Перспективы развития солнечной энергетики в Вооруженных силах / Н. В. Рябов, А. Н. Розе, Е. А. Рябова // Россия молодая : сб. материалов XI Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых. - Кемерово : КузГТУ, 2015. - С. 125-129.

10. Лотаков, Н. А. Альтернативные источники энергии и их применение в восках РТВ / Н. А. Лотаков, Н. Е. Цыганков, А. В. Чудиков // Аллея Науки. - 2019. - № 4 (31). - С. 385-387.

11. Army Scientists Developing Deployable Renewable Equipment. - URL: https://cleantechnica.com

12. Пермякова, Д. К. Биогаз как альтернативный источник энергии / Д. К. Пермякова, Н. К. Пермякова // Аллея Науки. - 2018. - № 8 (24). - С. 36-42.

13. Для российских военных создали уникальный источник энергии. - URL: https://tvzvezda.ru

14. Лидоренко, Н. С. Большая советская энциклопедия. Электронное издание / Н. С. Лидо- ренко, Г. Ф. Мучник, 2012.

15. Груздев, А. И. Состояние и перспективы развития производства высокотехнологичных автономных источников электрической энергии в России / А. И. Груздев // Электрохимическая энергетика. - 2016. - Т. 6 (1). - С. 3-29.

16. Звягинцева, А. В. Перспективы развития альтернативных источников энергии в беспилотной авиации / А. В. Звягинцева / Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. - 2019. - № 10, Т. 1. - С. 125-127.

17. Официальный сайт компании NEC Global. - URL: https://www.nec.com

18. Официальный сайт компании АО «НПП “Квант”». - URL: http: //npp-kvant.ru

19. Денискин, А. Г. Резервные тепловые химические источники тока. Этапы развития и перспективы / А. Г. Денискин // Автономная энергетика: технический прогресс и экономика. - 2014. - № 32. - С. 46-51.

20. Брылева, В. А. Использование уран-плутониевого топлива в легководных реакторах / В. А. Брылева, Е. Ф. Войтецкая, Л. М. Нарейко // Информационный бюллетень ГНУ «ОИЭЯИ- Сосны» НАН Беларуси. - 2012. - № 1 (9). - C. 124.

21. Черноруков, Н. Г. Уран. Прошлое, настоящее и будущее : электрон. учеб. пособие / Н. Г. Черноруков, О. В. Нипрук. - Нижний Новгород : Нижегород. гос. ун-т, 2010. - 52 с.

22. Алексеев, С. В. Торий в ядерной энергетике / С. В. Алексеев, В. А. Зайцев. - Москва : Техносфера, 2014. - 288 с.

23. Официальный сайт РосАтомФлота. - URL: http://www.rosatomflot.ru

24. Calorimetry of the palladium-deuterium-heavy water system / M. Fleischmann, S. Pons, M. W. Anderson, J. Li, M. Hawkins // Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. - 1990. - Vol. 287, iss. 2. - P. 293-348.

25. Цветков, С. А. Холодный ядерный синтез: мы сразу пошли своим путем / С. А. Цветков. - URL: https://regnum.ru

26. Шостаковский, П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники / П. Шостаковский // Силовая электроника. Компоненты технологии. - 2009. - № 12. - С. 40-46.

27. Шостаковский, П. Альтернативные источники электрической энергии промышленного применения на основе термоэлектрических генераторов / П. Шостаковский / / Oontrol engineering. - 2013. - № 3 (45). - С. 52-56.

28. Экипировка для «солдата будущего»: от «Ратника» до «Сотника». - URL: https://rostec.ru

Размещено на Allbest.ru