«Энергетика и промышленность России» представляет топ-10 самых интересных достижений науки, техники и технологий в секторе возобновляемых источников энергетики, которые были включены в дайджест отечественных научно-технических разработок для ТЭК, подготовленный РЭА Минэнерго России по итогам четвертого квартала 2025 года.

Солнечная электростанция для технических средств организации дорожного движения

Солнечная электростанция предназначена для повышения надежности в процессе эксплуатации. Она применяется в технических средствах организации дорожного движения (дорожные знаки, информационное табло, средства оповещения со световой индикацией надписей и символов) в качестве первичных источников энергии солнечных батарей и накопителей энергии аккумуляторных батарей. Солнечная электростанция состоит из фотоэлектрической солнечной панели и тыльной панели. Фотоэлектрическая солнечная панель соединена с управляющим контроллером и промежуточным балансирующим устройством.

Балансирующее устройство соединено с аккумулятором. К выходам управляющего контроллера подключен разъем для подключения нагрузки в виде технических средств организации дорожного движения. Солнечная панель смонтирована под углом 90° по отношению к линии горизонта. Тыльная панель выполнена из композитного материала толщиной 4 мм с армирующими элементами толщиной 0,3 мм по обе стороны. Композитный материал представляет собой аэрогелевую защитную эластичную ткань. Тыльная панель содержит сквозные отверстия с зенковкой. В сквозные отверстия установлены винты с потайной головой и колпачковой гайкой.

Промежуточное балансирующее устройство представляет собой печатную плату с электронными компонентами. Оно выполнено с возможностью выравнивания и распределения поступающего на вход электрического тока от управляющего контроллера. Управляющий контроллер представляет собой печатную плату с электронными компонентами и микроконтроллером. Микроконтроллер содержит алгоритмы заряда литий-ионных аккумуляторов. Входы управляющего контроллера выполнены в виде контактных площадок. К входам управляющего контроллера подключена кнопка управления режимами работы солнечной электростанции.

Включение выполняется путем нажатия на кнопку управления. При нажатии на кнопку управления режим работы подсветки переходит в статический режим, и активируются выходы для подключения нагрузки. Изменение режимами работы подсветки и активацию выходов для нагрузки выполняет управляющий контроллер согласно заложенному в его микроконтроллер алгоритму. Солнечная электростанция для технических средств организации дорожного движения обладает степенью пылевлагозащитных свойств не менее IP65. Защита от конденсата и окисления внутренних компонентов позволяет продлить срок службы устройства.

За счет расположения профилей, конструкцию, можно монтировать, как на вертикальные элементы стойки, так и горизонтальные элементы опоры. Обеспечивается высокая скорость монтажа. Расположение фотоэлектрической солнечной панели под углом 90° позволяет избежать загрязнения и налипании снега в зимний период времени. Применение литий-ионных аккумуляторов регулируется управляющим контроллером и промежуточным балансирующим устройством позволяет производить их быстрый заряд. Техническим результатом является повышение надежности в процессе эксплуатации солнечной электростанции при сокращении времени восполнения заряда аккумуляторов.
Разработчик: ООО «Многоотраслевое предприятие комплекс 1»

Волновая насосная энергоустановка

Цель данного проекта – улучшить надежность, производительность и функциональность волновой электростанции, которая может перекачивать как воздух, так и воду. Создание энергоустановки с повышенной производительностью представляет собой техническую задачу, требующую расширения арсенала технических средств.

В частности, предлагается: использовать волноприемные камеры в виде поршневых насосов двойного действия, которые изменяют свой объем под воздействием ударных волн; разместить насосы вместе с грузами на поплавках, обеспечивающих необходимую выталкивающую силу Архимеда; отказаться от применения ненадежных подпружиненных клапанов. Технический результат достигается за счет того, что в волновой насосной энергоустановке, содержащей платформу с размещенными на ней волноприемными камерами, соединенными через обратные запорные клапаны с общей трубой воздуховода, подключенной к турбине, оснащенной электрогенератором, и установленные по обе стороны платформы на передней ее части на своих поворотных опорах волноприемные щиты.

В качестве волноприемных камер применены поршневые насосы двойного действия, размещенные на поплавках и оснащенные грузами, штоки насосов соединены с верхними концами опорных штанг, нижние концы которых закреплены на платформе, а всасывающие и напорные патрубки насосов оснащены гибкими трубками, причем трубки всасывающих патрубков в режиме перекачивания воздуха выведены в воздух, в режиме перекачивания воды трубки всасывающих патрубков опущены в воду, а трубки напорных патрубков через обратные запорные клапаны подключены к общей трубе, снабжающей воздухом или водой турбину. Предлагаемая «Волновая насосная энергоустановка», использующая типовые стандартные узлы, может найти широкое применение для поселений на берегах морей, лишенных централизованной подачи электроэнергии.
Разработчик: ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина»

Приливная электростанция с увеличенным циклом работы

Эта разработка связана с гидротехническими сооружениями. Она позволяет увеличить выработку энергии, используя приливы и отливы. Суть в том, чтобы продлить работу гидроэлектростанции между приливами. Задачей предлагаемого изобретения является создание универсального устройства, которое можно использовать для повышения эффективности существующих приливных станций.

Технической проблемой, которую решает настоящее изобретение, является создание универсального устройства, которое можно использовать для повышения эффективности существующих приливных станций путем выработки электроэнергии в период между приливами. Технический результат заключается в создании приливной электростанции с удлиненным циклом работы, включающей плотину с водохранилищем, здание электростанции, стандартные рабочие затворы, обратимые турбины, дополнительную гидротурбину в магистрали через плотину и накопительный резервуар в море.

Резервуар соединен с магистралью обратным клапаном и поворотным затвором. Затвор управляется тросом через блоки и поплавок с дополнительными грузами, при этом груз поплавка тяжелее. Таким образом, используя запас воды в дополнительном резервуаре, размещенном в акватории моря, представляется возможным увеличить производительность существующих приливных электростанций и обеспечить снабжение электроэнергией для собственных нужд станции во временном промежутке между приливами.
Разработчик: ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина»

Гибридная энергетическая установка

Гибридная энергетическая установка содержит ветроэнергетическую установку (ВЭУ) и газотурбинную установку (ГТУ), состоящую из турбокомпрессора, камеры сгорания, газовой турбины и электрогенератора, соединенного с потребителем электрической энергии. Котел-утилизатор подключен к системе теплоснабжения, включающей водогрейный котел, циркуляционный насос, подающий и обратный трубопроводы, подключенные к тепловому потребителю.

Гибридная энергетическая установка дополнительно снабжена регулятором расхода топлива, связанным с датчиком расхода электрической энергии, вырабатываемой генератором ВЭУ, датчиком расхода электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором ГТУ, и регулирующим краном, установленным на трубопроводе подачи топлива в камеру сгорания газотурбинной установки. Для повышения надежности и экономичности работы гибридной энергетической установки целесообразно осуществлять непрерывный контроль и поддерживать на заданном уровне расход электрической энергии, вырабатываемой газотурбинной установкой, путем регулирования расхода топлива, подаваемого в ее камеру сгорания, и расход сетевой воды, направляемой в котелутилизатор.

При невозможности полного покрытия тепловой нагрузки котлом-утилизатором в работу включается водогрейный котел. Снабжение гибридной энергетической установки регулятором расхода топлива позволяет осуществлять регулирование расхода вырабатываемой газотурбинной установкой электрической энергии в соответствии с расходом электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетической установкой, и поддерживать на заданном уровне в соответствии с температурой наружного воздуха и нагрузкой газотурбинной установки температуру сетевой воды в подающем трубопроводе системы теплоснабжения, что повышает надежность и экономичность работы гибридной энергетической установки.
Разработчик: ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет»

Фотовольтаическое устройство с электрон-селективным слоем на основе оксида вольфрама и способ изготовления этого устройства

Фотовольтаическое устройство с электрон-селективным слоем на основе оксида вольфрама предназначен для повышения эффективности преобразования света и долговременной эксплуатационной стабильности перовскитных солнечных элементов. Относится к области изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводниковых материалов перовскитного типа и может быть использовано в солнечной энергетике для создания высокоэффективных и стабильных фотоэлектрических преобразователей.

Фотовольтаическое устройство содержит следующие слои: подложка и/или барьерный слой, защищающий остальные слои от механических воздействий, влияния влаги и кислорода воздуха; полупрозрачный дырочно-собирающий электрод; дырочно-селективный слой; фотоактивный перовскитный слой; электрон-селективный слой; электрон-собирающий электрод; подложка и/или барьерный слой, защищающий остальные слои от механических воздействий, влияния влаги и кислорода воздуха, при этом в составе электронселективного слоя в качестве единственного или одного из нескольких компонентов используется оксид вольфрама WOx , где х – в пределах от 2,5 до 3,0.

Нижняя подложка или барьерный слой (Слой 0) служит механической основой и защитой от влаги и кислорода; она может быть выполнена из прозрачного жесткого (стекло, кварц) или гибкого материала (полимерные пленки). На нее наносится полупрозрачный дырочно-собирающий электрод (Слой 1), который пропускает свет и собирает положительные заряды (дырки); для этого используются проводящие оксиды (ITO, FTO), металлические сетки или проводящие полимеры (PEDOT:PSS).

Далее следует дырочно-селективный слой (Слой 2), предназначенный для эффективного извлечения и транспорта дырок к электроду, одновременно блокируя электроны; он может состоять из органических полупроводников (PTAA), неорганических оксидов (NiOₓ, WOₓ) или их комбинаций. Сердцем устройства является фотоактивный перовскитный слой (Слой 3), который поглощает свет и генерирует носители заряда; он формируется из галогенидов свинца, таких как MAPbI₃ или более сложных составов (CsₓFA₁₋ₓPbI₃). Ключевым нововведением является электрон-селективный слой (Слой 4), расположенный поверх активного слоя; его главный компонент – оксид вольфрама (WOₓ, где x = 2,5–3,0), который обеспечивает селективный транспорт электронов и стабильность интерфейса, предотвращая деградацию перовскита.

Слой может быть одно-, двух- или трехкомпонентным, включая, помимо WOₓ, другие оксиды (TiO₂, ZnO) или органические акцепторы (фуллерены). Завершает структуру электрон-собирающий электрод (Слой 5), обычно металлический (Al, Ag), который собирает электроны, и верхний защитный слой или подложка (Слой 6), обеспечивающая окончательную герметизацию и защиту устройства от внешней среды. Техническим результатом является обеспечение высокой эффективности и долговременной эксплуатационной стабильности перовскитных солнечных батарей конфигурации p-i-n.
Разработчик: ФГБУН федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Получение порошков синтетического кварца электроразрядным измельчением

Природные и искусственные образцы кварца могут применяться как в виде цельных обработанных изделий, так и в виде измельченного продукта в различных областях деятельности человека, включая энергетику – солнечные панели, электронику, керамическую промышленность. Увеличение потребности в кварце обусловлено разрастанием производства солнечных панелей из-за тенденции перехода большинства стран к возобновляемым источникам энергии.

Однако практически в каждой из этих областей применения неуклонно возрастают требования к химической чистоте кварцевого материала и совершенству его структуры. В опытно-конструкторской работе рассматривается эффективность разрушения искусственных кристаллов кварца, выращенных гидротермальным методом. Приводятся данные по удельным энергетическим затратам на разрушение с помощью электроимпульсного и электрогидравлического воздействий.

Техническим результатом получения порошков синтетического кварца электроразрядным измельчением является увеличение доведения кварцевого материала до размеров менее 1 мм электроимпульсным воздействием в полезную фракцию по массе получаемого продукта до 60 % и выше. При этом снижение прикладываемого напряжения приводит к повышению средней крупности продукта.

В экспериментах по дальнейшему доизмельчению материала больше 0,5 мм электрогидравлическим воздействием было выявлено, что эффективность разрушения кварца при данном методе зависит в большей степени не от энергии в импульсе, а от скорости ее выделения, и для повышения производительности процесса необходимо применять разряды c высокой бризантностью.

Технический результат проведенных опытов разрушения кварца при использовании электроимпульсного и электрогидравлического воздействия показали, что данные методы обладают довольно высокой эффективностью и имеют ряд достоинств по сравнению с традиционным механическим воздействием.
Разработчик: ФГБУ науки федеральный исследовательский центр «Кольский научный центр РАН»

Способ получения никель-углерод-графенового катализатора гидрирования

Способ получения никель-углерод-графенового катализатора гидрирования предназначен для повышения эффективности и скорости получения катализаторов гидрирования, применяемых в водородной энергетике. Относится к области водородной энергетики, конкретно к технологии получения эффективных катализаторов гидрирования, и может быть использован в процессах создания водород-аккумулирующих материалов и устройств систем водородной энергетики.

Особенность предлагаемого способа заключается в замене стадии лиофильной сушки на стадию выпаривания воды при атмосферном давлении и температуре 30–95 °С из водной дисперсии оксида графита и соли никеля с последующим отжигом смеси при 700–900 °С в потоке инертного газа. Реализация заявляемого способа позволяет значительно сократить длительность получения и увеличить выход никельуглерод-графенового катализатора. Получение никель-углерод-графенового катализатора осуществляется в две стадии. На первой стадии водную суспензию оксида графита и водный раствор соли Ni(СН3 СОО)2 необходимой концентрации обрабатывают ультразвуком в течение 1 ч и сушат при атмосферном давлении и температуре 30–95 °С.

Отжиг смеси проводят в кварцевом реакторе длиной 600 мм с внутренним диаметром 18 мм, соединенном с двугорлой колбой объемом 2 л, второе горло которой снабжено водяным затвором. Реактор помещают в трубчатую печь длиной 200 мм, где он может свободно перемещаться, печь нагревают до 700– 900 °С. В холодный участок реактора, противоположный по отношению к колбе, загружают ~50 мг порошка композита, высушенного и помолотого в мельнице, продувают инертным газом с объемной скоростью ~500 мл/мин и, не прекращая подачи инертного газа, участок реактора с композитом перемещают в нагретую печь на 5–10 с, после чего реактор удаляется из печи, а содержащийся в нем твердый материал пересыпают в колбу.

На второй стадии осуществляют каталитический пиролиз в потоке смеси газов с соотношением Аr (30 мл/мин) : Н2 (100 мл/мин) : С2 H4 (60 мл/мин) при температуре 700 °С. Техническим результатом является сокращение длительности получения и увеличение выхода никельуглерод-графенового катализатора. Сущность изобретения заключается в способе получения никель-углерод-графенового катализатора гидрирования, характеризующегося заменой лиофильной сушки на стадию выпаривания водной дисперсии оксида графита и ацетата никеля при атмосферном давлении и температуре 30–95 °C с последующим отжигом в потоке инертного газа при 700–900 °C и восстановлением в газовой смеси Ar:H2 :C2 H4 при 700 °C с одновременным синтезом углеродных нановолокон.
Разработчик: ФГБУ науки федеральный исследовательский центр проблем химический физики и медицинской химии РАН

Защитное покрытие для титановых пластин и способ его нанесения

Защитное покрытие для титановых пластин и способ его нанесения предназначен для повышения коррозионной стойкости и снижения контактного сопротивления титановых пластин. Относится к области электротехники, а именно к защитным покрытиям титановых биполярных пластин топливных элементов и способу получения защитного покрытия, и может быть использовано в качестве защитного покрытия пластин топливных элементах в сфере водородной энергетики.

Сущность изобретения заключается в формировании на поверхности титановой подложки многофункционального углеродного нанокомпозитного покрытия, синтезируемого методом электрохимической полимеризации пиррола с последующей карбонизацией. Технологический процесс включает три следующих ключевых этапа.

Ключевыми стадиями процесса являются: подготовка поверхности титановой пластины путем химического травления в растворе соляной, азотной и плавиковой кислот, нанесение полимерного покрытия в гальваностатическом режиме при плотности тока 1 мА/см² и последующая вакуумная термообработка при температуре 800–900 °C в течение 2–3 часов. Для полученных образцов титановых пластин с нанесенным углеродсодержащим покрытием и без него были определены потенциалы и токи коррозии.

С помощью использования экстраполяции, были построены экстраполирующие прямые на графиках, определены их угловые коэффициенты и рассчитаны токи и потенциалы коррозии для образцов из чистого титана и покрытого углеродным слоем. Чистый титан имеет низкий потенциал и высокий ток коррозии, что свидетельствует о том, что он быстро растворяется в ходе эксперимента.

Покрытый углеродным слоем образец имеет более высокий, выходящий уже в положительные значения потенциал, что свидетельствует о высокой степени его защиты от коррозийного воздействия. Ток коррозии титана с предварительно нанесенным углеродсодержащим покрытием 0,168 мкА/см2 (ток коррозии очищенного титана – 0,925 мкА/см2 ). Контактное сопротивление с углеродной бумагой (использующей в качестве газодиффузионного слоя в мембранно-электродном блоке) 6 мОм*см2 при давлении 150 Н/см2 . Нанесение защитного углеродного покрытия осуществляется методом электрополимеризации на поверхности титановой пластины с последующим закреплением защитного слоя в вакууме при 800–900 °С.

За счет наличия полимеризованного пиррола в составе смеси удается получить равномерно нанесенное углеродсодержащее покрытие, способное снизить контактное сопротивление. Способ нанесения покрытия с последующим закреплением в вакууме при температуре 800–900°С обеспечивает прочность защитного слоя, что способствует образованию прочного слоя на поверхности титановой биполярной пластины, способствующего снижению контактного сопротивления. Применение метода возможно при толщине титана или технических сплавов менее 100 мкм без ухудшения механических свойств материала. Техническим результатом является снижение контактного сопротивления биполярной титановой пластины и увеличение ресурса работы топливного элемента.
Разработчик: ФГБУ науки федеральный исследовательский центр проблем химический физики и медицинской химии РАН

Анализ перспектив применения технологий фото-солнечной энергетики на территории Севера

Работа посвящена изучению ретро- и перспективы развития технологий фото-солнечной энергетики на северных территориях. Цель – проведение научно-аналитического обзора существующих и перспективных технологий фотосолнечной энергетики на северных территориях. В работе решены следующие задачи: определено текущее состояние развития энергосистем России; представлен обзор текущего состояния развития фото-солнечной энергетики; идентифицированы тренды развития гелиоэнергетической отрасли.

Методы исследования – применены методы проведения научно-аналитического обзора в области возобновляемых источников энергетики с проведением анализа положительного опыта внедрения фото-солнечных электростанций в автономных энергосистемах Якутии и формированием гипотезы о развитии гелиоэнергетики. Определено состояние и перспектива развития гелиоэнергетической отрасли, а также идентифицированы тренды развития фото-солнечной энергетики с выведением гипотезы направлений модернизации.

Практическая значимость заключается в идентификации направлений развития фото-солнечных электростанций, формировании предстоящих трендов развития данной ветки возобновляемой энергетики и формировании прогноза возможного сценария развития гелиоэнергетики. Результаты представленных исследований могут быть применены в разработке стратегии развития возобновляемой энергетики в России и модернизации объектов фотосолнечной энергетики с последующим повышением их энергоэффективности.

Гидравлический привод солнечного трекера с регулятором мощности

Изобретение относится к области солнечной энергетики, к фотоэнергетическим установкам с автоматической системой ориентации солнечной панели в двух плоскостях и применяется в солнечных электростанциях для преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие приводы позволяют: изменять положение трекера по азимуту и наклону в соответствии с перемещением солнца по небу; регулировать подачу рабочей жидкости к гидроцилиндрам, что повышает КПД устройства и обеспечивает индивидуальный подвод давления к гидроцилиндрам для преодоления нагрузки.

Управляющий электронный модуль использует информацию с датчиков перемещения штоков гидродвигателей привода и датчика положения солнца, чтобы позиционировать платформу трекера. Сигналы подаются на электрогидрораспределители привода. Гидромеханические регуляторы насоса подстраивают характеристики системы под случайное изменение внешних нагрузок на трекер.

Элементы конструкции гидравлического привода солнечного трекера с регулятором мощности включают: гидравлический бак с насосом и предохранительным клапаном, гидроцилиндры (каждый из них имеет возможность дистанционно изменять рабочий объем), многопозиционные гидрораспределители с электромагнитным управлением, которые связывают поршневые полости гидроцилиндров с напорной и сливной магистралями, предохранительный клапан, который предотвращает поломку привода вследствие перегрузки.