Агроэнергетика: что она может дать России и человечеству

Размещено на http://www.allbest.ru/

Агроэнергетика. Что она может дать России и человечеству

Сергей П.

Агроэнергетика. Зачем она нужна

Термин АГРОЭНЕРГЕТИКА используется нами уже довольно давно, но не является общепринятым. Определим агроэнергетику, как отрасль, использующую объемный высокочастотный прогрев в сельскохозяйственной деятельности.

Одним из самых главных объективных факторов, определивших прошлое и настоящее России, являются холодные почвы. Особенность России, как сельскохозяйственной державы, состоит в том, что практически вся ее территория расположена в зоне рискованного (негарантированного) земледелия. Посевные площади, пригодные для сельскохозяйственной деятельности, то есть удовлетворяющие мировым стандартам температуры и влажности (допускающие приемлемую рентабельность) составляют 1.5% от общей территории России. Для сравнения аналогичный показатель для Польши составляет более 50%. Даже в наиболее близкой по климату Канаде посевные площади составляют 3.3% от площади страны. Потребности страны не могут быть удовлетворены таким мизерным количеством площадей, потому в сельскохозяйственный оборот вынужденно включаются земли, на которых можно хоть что-то вырастить. Это увеличивает площади, введенные в сельскохозяйственный оборот, до 4.5% территории.

Влажности на территории России достаточно. Но почвы холодные. И именно холод является главным врагом хозяйства России. Именно холодные почвы среди всех объективных факторов наиболее мощно влияли на экономическое и социальное прошлое и настоящее России.

Представляется вполне очевидным, что раз в России почвы холодные, то кардинальным способом повышения урожайности может быть прогрев почв. Но существующие методы контактного или поверхностного прогрева почв имеют весьма низкий КПД и эффективность. Технически они мало отличаются от систем отопления жилых помещений. Их использование для реального прогрева посевных площадей, особенно открытых, совершенно не реально, поскольку снижает рентабельность сельского хозяйства до неприемлемого уровня.

Преимущества объемного прогрева. Препятствия к реализации

Существуют значительно более эффективные бесконтактные методы объемного прогрева вещества - это объемный высокочастотный прогрев (далее ОВП) через взаимодействие вещества с электромагнитным полем.

Приведем четыре принципиальных преимущества ОВП перед традиционными контактными или поверхностными методами прогрева вещества.

Первое и главное преимущество ОВП - отсутствие теплоносителя. Энергоноситель (ВЧ электромагнитное поле), проникает в объем вещества и взаимодействует непосредственно с веществом, повышая его температуру (или иным образом увеличивая энергонасыщенность), по всему объему проникновения поля. При ОВП нет потерь на обогрев тепловых трасс и окружающей среды и т.д. Поэтому КПД объемного прогрева весьма высок.

Второе преимущество - мгновенная и полная управляемость процессом ОВП. Воздействующее на вещество высокочастотное электромагнитное поле может быть отключено или изменено мгновенно по всему рабочему объему.

Третье преимущество - равномерность прогрева по всему объему. Это весьма важное преимущество, поскольку конвекционных потоков в почве нет, то нет и перемешивания, выравнивающего температуру по объему.

Четвертое преимущество ОВП селективность. Изменяя частоты воздействия ОВП можно по-разному воздействовать на отдельные фракции или включения, например на корневую систему или живые организмы. Это позволяет, к примеру, проводить стерилизацию почвы (уничтожение паразитов) не травмируя корневые системы растений.

Отметим, что всей совокупностью указанных преимуществ обладает только так называемый мягкий ОВП, работающий на относительно низких частотах (от сотен килогерц до десятков мегагерц), при котором электромагнитное поле проникает достаточно глубоко и имеет равномерный характер на больших площадях.

Современный уровень мощного радиостроения позволяет без проблем организовать разработку и производство устройства для мягкого ОВП (энергоблоки, системы управления и т.д.). Но стоимость оборудования оказывается недопустимо велика, а надежность, ремонтопригодность, время наработки на отказ и другие эксплуатационные характеристики, слишком низкие для приемлемой рентабельности технологий ОВП в сельском хозяйстве. почва высокочастотный прогрев агроэнергетика

Анализ показал, что применение высокочастотного объемного прогрева грунтов и почв в сельском хозяйстве может быть рентабельным, если стоимость элементной базы и оборудования систем ОВП будет снижена не менее чем на порядок, с одновременным улучшением ее технических характеристик. В первую очередь необходимо в несколько раз повысить выходную мощность, рабочие напряжения, электрическую прочность и надежность высокочастотных транзисторов при сохранении или улучшении остальных характеристик.

По существу, речь идет о необходимости создания нового поколения элементной базы мощного радиостроения. Отметим, что создание отечественной элементной базы является одним из приоритетов развития экономики, обозначенных Президентом РФ.

В рамках существующих мировых трендов развития электронной промышленности необходимое улучшение технических характеристик элементной базы может ожидаться не ранее, чем через пять-десять лет. А снижение себестоимости элементной базы, тем более десятикратное, не прогнозируется вообще.

То есть, не смотря на все ожидаемые преимущества и возможности агроэнергетики, создание рентабельных систем ОВП считалось технически невозможным. Поэтому никаких серьезных исследований и разработок в области агроэнергетики до настоящего момента не проводилось и не планируется.

Решение проблемы, препятствующей развитию агроэнергетики

Инженеры ЗАО «Т-индустрия» специализируются на исследовании и проектировании мощных аналоговых (не цифровых) устройств и узлов радиосистем различного назначения - трактов усиления мощности, антенно-фидерных устройств и т.д. В контексте этих исследований разработаны новые методы и устройства получения больших высокочастотных мощностей (метод каскадного суммирования мощностей) и инжектирования ВЧ энергии в пространство и вещество (сингулярные антенны и рабочие камеры). Проведена большая научная работа, по результатам которой на ученом совете МУФО защищена докторская диссертация. Конверсионным приложением результатов разработок «Т-Индустрии» могут и должны быть устройства и системы ОВП для сельского хозяйства.

Одним из результатов работы ЗАО «Т-Индустрия» является создание КС-транзистора - нового типа сверхмощного (до 10 КВт и выше) высоковольтного (до 2.0 КВ и выше) высокочастотного (до 100 МГц и выше) транзистора, в конструкции которого реализуется метод каскадного суммирования (КС). Выходная мощность, рабочее напряжение, коэффициент усиления КС-транзистора и другие динамические характеристики в несколько раз выше, чем у существующих аналогов, при тех же или лучших частотных и эксплуатационных характеристиках. Технико-экономический анализ показал, что себестоимость изготовления КС-транзисторов в пересчете на один ватт мощности уменьшилась более чем в десять раз в сравнении с ближайшими известными аналогами. Весьма важным преимуществом КС-технологий является сохранение столь же низкой себестоимости (высокой рентабельности) при мелкосерийном производстве КС-транзисторов.

Таким образом, к настоящему моменту основная составляющая элементной базы, необходимой для создания рентабельных устройств мягкого ОВП, создана. Разработанные КС-транзисторы, как уже было сказано, отличаются от ближайших аналогов значительно более высокими техническими и эксплуатационными характеристиками. Это в свою очередь, позволяет разрабатывать и производить конструктивно простую, высокоэффективную и малогабаритную аппаратуру ОВП с исключительно низкими параметрами трудоемкости и стоимости изготовления.

Технические и эксплуатационные характеристики аппаратуры, использующей КС-транзисторы, не просто превосходят, но по факту недостижимы для возможных аналогов, построенных на традиционной элементной базе. К примеру, четырехкратный запас электрической прочности присущий КС-транзисторам (против 20% или 50% запаса для обычных транзисторов) плюс особенности конструкции КС-транзисторов, исключающие тепловой (вторичный) пробой, многократно увеличивают надежность и время наработки на отказ оборудования. Вплоть до сроков, при которых оборудование разрушается из-за длительных климатических воздействий.

Простейший вариант устройства высокочастотного прогрева почвы представляет собой ряды углубленных в землю металлических сетчатых электродов, к которым подсоединены высокочастотные энергоблоки.

Научные разработки специалистов ЗАО «Т-Индустрия» позволили устранить фундаментальное препятствие на пути внедрения агроэнергетики в сельское хозяйство. Агроэнергетика теперь может рассматриваться, как актуальный и перспективный проект развития сельского хозяйства России.

Возможности агроэнергетики

Рентабельная агроэнергетика, как и механизация в двадцатых годах прошлого века, представляется закономерным, и, скорее всего, неизбежным этапом в развитии сельского хозяйства России. По двум причинам. Во-первых, это, вероятно, единственный экологически чистый путь повышения эффективности сельского хозяйства на обширных холодных почвах. Во-вторых, именно агроэнергетика позволяет повысить эффективность использования существующих посевных площадей и ввести в сельскохозяйственный оборот обширный территорий Восточной Сибири. Включая равнинные области низовий сибирских рек, идеально удобные для сельского хозяйства, но скованные вечной мерзлотой.

Только за счет выравнивания базовой нагрузки ЕЭС России в ночное время (10ГВт) можно обеспечить энергией высокочастотный прогрев до 20 млн. гектаров в европейской части России, доведя урожайность этих посевных площадей до среднеевропейского уровня.

Колоссальный энергетический ресурс сибирских рек (приблизительно 200ГВт) может быть эффективно использован для целей агроэнергетики в низовьях этих рек бесплотинными гидроэлектростанциями, наносящими минимальный ущерб экологии края. Использование этого ресурса для объемного прогрева грунтов и почв восточной Сибири позволит, как минимум удвоить доступные посевные площади, и вдвое или втрое увеличить общий объем сельскохозяйственной продукции России.

Агроэнергетика естественным и непротиворечивым образом вписывается в кластерный подход к обживанию Сибири, путем строительства под куполами городов, совмещенных с сельскохозяйственными плантациями. Тем самым формируются необходимые экологические условия для создания высоко комфортных условий проживания. Не только за счет самообеспечения продуктами сельского хозяйства, но также и за счет значительного улучшения углекислотного баланса, как под куполом, так и в целом по всему пространству.

Возможность удвоения посевных площадей может быть использовано как для решения обостряющейся мировой продовольственной проблемы, так и для резкого увеличения производства биотоплива (технический рапс, к примеру) и сокращения потребления невозобновимых углеводородных ресурсов.

Методами агроэнергетики могут решаться не только задачи стимулирования урожайности путем прогрева и увеличения сроков вегетации, но также и задачи санации почв, в частности, борьбы с сельскохозяйственными вредителями без использования ядохимикатов.

Проблемы агроэнергетики

Специалистами «Т-индустрии» решена основная технико-экономическая проблема агроэнергетики - разработана элементная база и устройства ОВП, обеспечивающие рентабельность агроэнергетики. К настоящему моменту мы готовы разработать и изготовить рентабельные системы ОВП для любого применения в агроэнергетике по конкретным техническим заданиям.

Но необходимо эти технические задания написать. То есть, необходима разработка обоснованных и выверенных процедур и режимов прогрева почв, привязанных к конкретным климатическим условиям и сельскохозяйственным культурам. Это исключительно наукоемкое направление исследований, которые раньше не проводились и не планировались по причине предполагаемой невозможности рентабельного прогрева почв. Исследования должны быть системными и скоординированными, проводиться широким кругом специалистов в области электродинамики, мощной радиотехники, агрономии, почвоведения, биологии, экономики, экологии и т.д.

Как уже было сказано, агроэнергетика является закономерным и необходимым этапом развития сельского хозяйства России. Для того чтобы решить эту задачу, как и задачу механизации сельского хозяйства в тридцатых годах прошлого века, необходима поддержка Государства. На наш взгляд, необходима федеральная программа по агроэнергетике, позволяющая не только разрабатывать устройства объемного прогрева почв, но и проводить реальные сельскохозяйственные исследования и эксперименты в полевых условиях. Учитывая, что проблемы холодных почв стоят не только в России, но и в других странах (Канада, США - Аляска и т.д.), эта программа может носить международный характер.

Размещено на Allbest.ru