Общие методические рекомендации

Цель программы – обеспечить высокий уровень подготовки аспирантов (соискателей) в соответствии с современными требованиями для решения научных и практических задач в области разработки, построения и функционирования энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии.

Задачи программы – определить круг вопросов, которыми должен владеть аспирант (соискатель) в области принципов, методов и средств исследования, проектирования, синтеза и разработки энергоустановок на основе использования возобновляемых видов энергии.

Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05.14.18 – "Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии" базируется на профилирующих курсах: техническая термодинамика и теплопередача, электротехника, промышленная теплотехника, электрооборудование электростанций и подстанций. Эти знания необходимы соискателю для успешного решения научных и прикладных задач, связанных с разработкой энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии.

Требования к уровню знаний экзаменуемого – аспирант (соискатель) должен свободно ориентироваться и владеть современными методами анализа и синтеза электроэнергетического оборудования, электроустановок на основе возобновляемых видов энергии, знать способы и средства регулирования параметров электроэнергетических установок, уметь оптимизировать процессы синтеза энергоустановок, а также творчески применять их при решении практических задач.

Содержание программы

1. Техническая термодинамика и теплопередача

Термодинамика и ее методы. Параметры состояния. Законы и уравнения системы идеального газа. Внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, основные термодинамические процессы идеальных газов.

Закон сохранения и превращения энергии. Уравнение первого закона термодинамики. Второй закон термодинамики. Циклы, термодинамический к.п.д. Обратимые и необратимые процессы. Цикл Карно. Объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики. Третий закон термодинамики.

Равновесие термодинамических систем и фазовые переходы. Гомогенные и гетерогенные системы. Диаграммы состояния веществ. Принцип соответственных состояний и термодинамическое подобие веществ.

Циклы с промежуточным перегревом и регенерацией. Комбинированные циклы. Циклы газотурбинных установок. Сжатие газа в одно- и многоступенчатом компрессоре. Циклы холодильных установок.

Конвективный теплообмен. Особенности теплообмена при ламинарном и турбулентном режимах течения при обтекании плоской поверхности и течении в трубах. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Теплообмен при свободной и вынужденной конвекции в однофазных потоках, при кипении и конденсации. Теплообмен  при конденсации и кипении однокомпонентных теплоносителей. Механизм теплоотдачи и расчетные соотношения при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Тепло- и массообмен  в двухкомпонентных средах.

Стационарная и нестационарная теплопроводность через плоские и цилиндрические стенки. Теплообмен излучением.

2. Электротехника

Нелинейные электрические цепи постоянного тока. Применение метода холостого хода и короткого замыкания к расчету цепей с нелинейными элементами.

Магнитные цепи. Элементы теории магнетизма. Магнитодвижущая сила. Магнитная цепь и ее разновидности. Законы Кирхгофа для магнитных цепей. Расчет разветвленной магнитной цепи методом двух узлов.

Электромагнитная индукция и механические силы в магнитном поле. ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции. Плотность энергии в магнитном поле. Механические усилия в магнитном поле.

Электрические цепи однофазного синусоидального тока. Основы символического метода расчета цепей синусоидального тока. Законы Кирхгофа в символической форме записи.      

Трехфазная система ЭДС. Основные схемы соединения трехфазных цепей, линейные и фазные величины. Круговые и линейные диаграммы в трехфазных цепях.  Трехфазный трансформатор.

Переходные процессы в линейных электрических цепях. Законы коммутации. Преобразование Карсона-Хевисайда. Законы Кирхгофа в операторной форме. Последовательность расчета переходных процессов цепей в операторной форме. Основы синтеза электрических цепей. Электрические машины. Механические и электрические характеристики. Электрические машины постоянного тока. Асинхронные и синхронные машины переменного тока.

3. Промышленная теплотехника, электрическое оборудование 
электростанций и подстанций

Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. Принцип взаимного преобразования теплоты и работы. Тепловые и холодильные машины. Идеальные и реальные термодинамические процессы. Циклы тепловых и холодильных машин. Тепловые двигатели и энергетические установки. Схемы преобразования теплоты в электрическую энергию. Основное оборудование энергоустановок. Конечные потребители систем энергоснабжения: отопления , вентиляции и кондиционирование воздуха, хладоснабжение. Типы электростанций и энергоустановок. Тепловые схемы и основное оборудование ТЭЦ, ТЭС. Парогенераторы. Паровые турбины. Системы водоснабжения. Системы теплоснабжения (общие сведения). Системы вентиляции и кондиционирования воздуха (общие сведения). Холодильные установки.

Общие сведения об электрических станциях, подстанциях и энергосистемах. Особенности технологического оборудования и режимов работы электростанций различных типов (ТЭС, ГЭС, АЭС, ДЭС). Классификация и общее назначение электрического оборудования электростанций и подстанций. Режимы работы электрооборудования (нормальный, ремонтный, аварийный, послеаварийный). Собственные нужды электростанций и подстанций. Оптимизация электропотребления с целью энергосбережения.

Понятие автоматизированного электропривода. Общие положения по регулированию тока, момента, скорости и положения электропривода. Электропривод с программным управлением, с адаптивным управлением.

4. Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

4.1. Электрохимические энергоустановки

Топливные элементы. Общие понятия, термодинамика топливных элементов. Электродная поляризация. Напряжение и вольтамперная кривая топливного элемента. Основные типы водородно-кислородных ТЭ. Системы хранения водорода и кислорода. Системы терморегулирования и отвода воды. Топливные элементы со свободным матричным электролитом.

Электрохимические генераторы (ЭХГ) и энергоустановки (ЭЭУ). Основные системы и параметры ЭХГ.

Электрохимические установки (ЭЭУ) на основе систем с металлическим анодом. ЭЭУ на основе системы металл-вода. ЭЭУ на основе систем металл-жидкий окислитель, металл-воздух.

Комбинированные электрохимические энергоустановки (КЭЭУ). Электрохимическое аккумулирование энергии. Аккумулирование энергии с помощью комбинированных электрохимических энергоустановок. Система солнечная энергоустановка – электрохимический аккумулятор. Система ветродвигатель – электрохимический аккумулятор. Электрохимические насосы. Электрохимические конвекторы топлива.

Электрохимические электростанции – ЭЭС. Технологические схемы ЭЭС. Использование топлива ЭЭС. Комбинация ЭХГ и турбомашинных циклов. ЭЭС на основе ТЭ с расплавленным электролитом. ЭЭС на основе ТЭ с окисным электролитом. ЭЭС и окружающая среда.

4.2. Энергоустановки на основе солнечной энергии

Солнечное излучение. Определение технического и экономического потенциала солнечной энергии.

Ослабление прямого излучения в земной атмосфере. Измерение плотности потока солнечной радиации. Спектр электромагнитного излучения. Преобразование солнечной энергии в тепловую. Поглощательная и отражающая  способность. Отражение на границе раздела сред. Системы солнечного теплоснабжения.

Теплоприемники солнечного излучения. Плоские коллекторы. Конструкция, основные характеристики. Полный коэффициент теплообмена коллектора с окружающей средой. Коэффициент отвода тепла из коллектора. Коэффициент полезного действия коллектора. Практические проблемы плоских коллекторов. Концентраты, приемники и ориентирующие системы фокусирующих коллекторов. Основные характеристики фокусирующих коллекторов. Оптические потери.

Системы солнечного горячего водоснабжения и отопления. Активные и пассивные системы солнечного теплоснабжения.

Аккумулирование энергии в системах теплового преобразования солнечной энергии. Типы аккумуляторов. Водяной аккумулятор. Аккумулятор со слоевой теплообменной насадкой. Аккумулятор на основе фазовых превращений. Требования к аккумуляторам. Использование солнечной энергии для технологических нужд.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Полупроводниковые солнечные элементы на основе гомо- и гетеропереходов. Работа солнечного элемента. Основные уравнения. Влияние плотности потока солнечного излучения на вольтамперные характеристики. Определение необходимой площади солнечной батареи и числа солнечных элементов. Конструкции солнечных элементов. Солнечные элементы с концентраторами излучения. Пленочные фотопреобразователи. Комбинированные фототермические установки. Солнечные энергоустановки с двусторонней спектральной чувствительностью. Термофотоэлектрический метод преобразования тепловой энергии в электрическую. Солнечные электростанции. Схемы и принципы работы солнечных электростанций.

4.3. Ветроэнергетические установки

Преобразования энергии ветра. Определение технического и экономического потенциала ветровой энергии. Энергетический расчет ветроустановки. Принципы преобразования энергии ветра. Насосные ветроагрегаты. Пневматические ветроагрегаты. Конструктивные исполнения (типы) ветроколес, их эффективность. Контроль, регулирование и управление ВЭУ. Производство электрической энергии. Ветродизельные и ветросолнечные установки. Электрические ветроагрегаты. Общие принципы аккумулирования ветровой энергии. Механическое аккумулирование. Гидравлические аккумулирование. Пневматическое аккумулирование. Тепловое аккумулирование. Водородное аккумулирование. Электрохимическое аккумулирование. Проблемы и перспективы развития ветроэнергетики. Экономическая эффективность ВЭУ.

4.4. Биоэнергетические установки

Биомасса как источник энергии. Виды биомассы. Объемы и энергопотенциал биомассы разного происхождения. Термические и биохимические способы превращения биомассы в энергию (биотоплива). Определение технического и экономического потенциала энергии биомассы.

Биотопливо, его виды. Влажность и зольность древесных отходов (дрова, кора, щепа, опилки, брикеты, гранулы), соломы. Теплота их сгорания. Этапы сжигания твердых топлив (древесных отходов,  торфа, лигнина, соломы). Пиролиз. Процесс горения летучих компонентов. Дожиг. Полное и неполное сгорание топлив. Коэффициент избытка воздуха. Котлы и оборудование для сжигания твердых топлив. КПД твердотопливных котлов для сжигания биотоплива.

Газификация твердых топлив (древесного, лигнина, торфо-лигнинных брикетов). Пиролизные газы. Отходящие газы. Газогенераторы. Газогенераторный предтопок.

Анаэробная переработка жидких органосодержащих отходов. Микробиологические аспекты метаногенеза. Гидролиз. Кислотогенная стадия. Ацетоногенная стадия. Метаногенная стадия. Факторы, определяющие процесс анаэробного сбраживания биомассы. Температурный режим. РН субстрата. Доза загрузки. Продолжительность брожения. Перемешивание. Ингибиторы процесса.

Накопительный режим. Вытеснительный режим. Продукты анаэробной переработки. Состав биогаза. Теплотворная способность биогаза. Удельный выход биогаза из различных органосодержащих отходов. Эквивалентность условному топливу. Использование биогаза, сброженной биомассы (шлама). Методы повышения интенсивности анаэробного сбраживания биомассы. Использование инокулята. Твердофазная метангенерация.

Биогазовые установки. Основные узлы и системы биогазовых установок. Типы (конструкции) биореакторов, их характеристика. Энергобаланс биогазовой установки. Технико-экономические показатели биогазовой установки. Перспективы развития биогазовых установок. Биофильтры с восходящим потоком сбраживаемой биомассы. Совершенствование конструкции метантенка.

Роль метанового сбраживания отходов для защиты окружающей среды от загрязнений. Снижение загрязнений почвы, воды, воздуха. Уменьшение "парникового эффекта".

4.5. Гидро- и геотермальные энергетические установки

Расчет технического и экономического потенциала гидравлической энергии. Малая гидроэнергетика. Микро-ГЭС. Водноэнергетический кадастр и гидроэнергетические ресурсы республики. Гидрологические и водохозяйственные расчеты при проектировании малых ГЭС. Бесплотинные (свободнопоточные) гидроэлектростанции. Конструктивные типы гидросиловых установок (гидротурбины) и сфера их применения. Способы регулирования мощности. Гидроэлектростанции с преобразованием поступательного движения водного потока во вращательное.

Электрические схемы малых (микро) ГЭС, автономные и присоединяемые к электросистеме. Типы электрогенераторов. Асинхронный генератор на малых  (микро) ГЭС и система возбуждения. Гидротаранная установка. Принцип работы. КПД.

Классификация термальных вод. Перспективы, проблемы использования. Использование тепла грунта.

Использование естественного холода в сельском хозяйстве.

4.6. Электретные энергоустановки

Электрические поля, силы и токи заряженных слоев. Методы измерения плотности и распределения  зарядов в электретах. Термически стимулированный разряд электров. Формирование заряда в электретах, вызванные действием облучения. Пьезо- и пироэлектреты. Электреты в биоматериалах и биополимерах.

Электретные преобразователи (микрофоны, гидрофоны, электретные воздушные фильтры, электретные дозиметры). Пьезоэлектрические полимерные преобразователи. Электретные энергоустановки: электретные генераторы с линейным возвратно-поступательным движением электронов; генераторы с вращающимися электродами. Пироэлектрические полимерные приборы.

Основная литература

1. И.В.Баум. Оптические системы солнечных электростанций. М., Наука. 1985.
2. Солнечная и геотермальная теплоэнергетика. Актуальные физико-технические проблемы. М., Наука, 1985.
3. Д.Даффи, У.Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М., Мир, 1977.
4. М.М.Колтун. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. М., Наука, 1979.
5. О.П.Агнихотри, Б.К.Гупта. Селективные поверхности солнечных установок. Мир, 1984.
6. Э.Берма. Геотермальная энергия. М., 1978.
7. Я.И.Шефтер. Использование энергии ветра. М., Энергоатомиздат, 1983.
8. Ветроэнергетика. Под редакцией Д.де Рензо. М., Энергоатомиздат, 1982.
9. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения./под ред. Э.Н. Сакрацкого, С.А.Чистовича.-М.:Стройиздат,1990.
10. Твайдел Дж., Уэйр А.Возобновляемые источники энергии М.: Энергоатомиздат, 1990.
11. В.М.Усаковский. Возобновляемые источники энергии. М., Россельхозиздат, 1986.
12. Дж.Даффи, У.А.Бекман. Тепловые расчеты с использованием солнечной энергии. М.: Изд-во "Мир", 1977.
13. Биомасса как источник энергии. Под ред. С.Соуфера, О.Заборски. М.: Изд-во Мир, 1985.
14. В.Баадер, Е.Доне, М.Бренндерфер. Биогаз, теория и практика. М.: Колос, 1982.
15. В.И.Русан, М.А.Короткевич. Комплексное использование возобновляемых источников энергии. – Мн.: ИЭ АПК НАН Беларуси, 2004.

Дополнительная литература

1. Дашков В.Н. Возобновляемые источники в ресурсосберегающих технологиях АПК. Баранович: РУПП "Барановичская укрупн. типография", 2003. – 184 с.
2. М.М.Колтун. Оптика и метрология солнечных элементов. Наука, 1985.
3. А.М.Васильев, А.П.Ландсман. Полупроводниковые фотопреобразователи. М., Советское радио, 1971.
4. А.Н.Щербань, А.Е.Бабинец, А.С.Цырульников. Тепло Земли и его извлечение. Киев, Наукова думка, 1974.
5. Е.М.,Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. М., изд. с-х лит., 1957.
6. Н.В.Коровин. Электрохимические генераторы. Энергия, 1974.
7. Н.С.Лидоренко, Г.Ф.Мучник. Электрохимические генераторы. М., Энергоиздат, 1982.
8. Е.И.Янтовский, Н.М.Толман. Магнитодинамические генераторы. М., Наука, 1972.
9. В.А.Кирилин, В.В.Сычев, А.С.Шейдлин. Техническая термодинамика. М., 1980.
10. М.М.Колтун. Солнечные элементы. М., Наука, 1987.
11. Г.Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоиздат, 1983.
12. В.И.Русан, В.В.Кузьмич. Состояние и перспективы развития электрификации сельского хозяйства. Мн.: БНИИНТИ и ТЭИ, 1989.
13. Л.А.Сапдиг и др. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием ВИЭ. Челябинск, 2000.
14. М.М.Севернев. Энергосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве. – Мн., 1994.
15. В.В.Кузьмич. Расчет гелиоветронагревательных  систем и их применение в сельском хозяйстве. Мн., 1994.
16. В.С.Дубровский, У.Э.Виестур. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. – Рига: Зинатне, 1988.
17. Биогаз: проблемы и решения. Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология. т.21. – М.: ВИНИТИ, 1988.
18. А.А.Ковалев, А.Н.Ножевникова. Технологические линии утилизации отходов животноводства в биогаз и удобрения. – М.: Мир, 1990.
19. Биогазовые технологии – радикальное решение проблем экологии, энергетики и агрохимии/ Е.С.Панцхава// Теплоэнергетика. – 1994, № 4.
20. Экономические показатели биогазовых установок/ В.Г.Некрасов// Техника в сельском хозяйстве, 1988, № 1.
21. Экономический эффект переработки отходов животноводства в биогазовых установках/ В.Г.Некрасов// Международный агропромышленный журнал. – 1989, № 1.
22. Решение вопросов экологии и энергосбережения с помощью систем переработки навозных стоков по технологии метанового сбражения/ В.Г.Некрасов// Промышленная энергетика, 1992, № 8, 9.
23. Биогазовые технологии и решение проблем биомассы и "парникового эффекта в России/ Е.С.Панцхава и др.// Теплоэнергетика, 1999, № 2.
24. В.А.Боровиков. Электрические сети и системы/ В.а.Бороывиков. В.В.Косарев, Г.А.Ходот. – М.: Энергия, 1968.
25. Н.В.Чернобровов. Релейная защита. – М.: Энергия, 1971.
26. Электрическая часть станций и подстанций/ Под ред. Б.Н.Неклепаева. – М.: Энергия, 1972.
27. Б.Ю.Липкин. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учеб. 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1990.
28. Электреты/ Под редакцией Г.Сесслера. – Мир: Москва, 1983. – 487 с.
29. А.Н.Губкин. Электреты. – М.: Наука, 1978. – 190 с.
30. Л.А. Саплин и др. Энергоснабжение с-х. потребителей и использование возобновляемых источников энергии.- Челябинск: ЧГАУ, 2000 – 240с.