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

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.