Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2013, № 12. Часть 2

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение  
высшего профессионального образования  
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 12 
 
 
 
Часть 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2013 

ISSN 2071-6168 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 
350 с.

Рассматриваются научно-технические проблемы в области нетрадиционных 

возобновляемых источников энергии, энергосбережения и надежности в системах электроснабжения и электроэнергетических системах, задачи управление и обеспечения 
требуемого уровня надежности работы энергосберегающего электропривода, диагностирование и надежность технического состояния электротехнического и электроэнергетического оборудования, вопросы подготовки и переподготовки инженерных и научных кадров в области энергоресурсосбережения, управления, вычислительной 
техникой и информационными технологиями, горного дела, машиностроения и машиноведения. 
Настоящий сборник составлен по результатам и докладам конференций: XI 
Московского международного энергетического форума «ТЭК России в XXI веке», I 
Международного Электроэнергетического форума «Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие», Международных научно-технических конференции «Энергоэффективность-2013» и «Энергосбережение-2013». 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, 
студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике технических наук. 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора),  
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь),  
И.Е. Агуреев, А.Н. Иноземцев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс,  
А.Э. Соловьев 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
© Авторы научных статей, 2013 
© Издательство ТулГУ, 2013 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 
 

 
4

что наиболее перспективной из них является солнечная энергетика [4]. 

Солнечная энергия, поступающая на территорию России, например, 

за три дня превышает энергию годовой выработки. Кроме того, запасы ее 
неисчерпаемы и по критерию экологичности ей нет равных. 

Учеными подсчитано, что небольшого процента солнечной энергии 

достаточно для обеспечения транспортных, промышленных и бытовых 
нужд как в настоящее время, так и в будущем. На энергетическом балансе 
Земли и состоянии биосферы это не отразится, независимо от того, будет 
ли энергия использована или нет. 

Однако нельзя упустить из виду один значительный недостаток. 

Солнечные излучения, падая на земную поверхность, не имеют определенного места концентрации, поэтому ее необходимо уловить и превратить в 
форму энергии, которую было бы возможно использовать для нужд человека. Кроме того, чтобы поддержать энергоснабжение в ночное время суток и пасмурные дни, нужно каким-то образом солнечную энергию запасти. В настоящее время эта проблема легко решаема – главное правильно 
использовать данный ресурс, чтобы свести ее стоимость к минимуму. Тем 
более, учитывая каждодневное совершенствование технологий и удорожание, а главное, исчерпаемость традиционных ресурсов, солнечная энергия 
все больше и больше будет находить новые области применения [3]. Рассмотрим основные их них. 

Солнцемобиль. Первый прототип транспортного средства на сол
нечных батареях появился в 1955 году в Чикаго благодаря Уильяму Коббу. 
Модель представляла собой конструкцию длиной немного больше фута и 
состояла из тринадцати селеновых фотоэлементов на крыше и маленького 
электромотора. Это была первая попытка в создании бесшумного и экологически чистого транспорта. 

В конце 80-х годов XX века идея разрослась по всему миру. Идея 

бесспорно уникальная, но и довольно затратная. Для того чтобы солнцемобиль мог составить достойную конкуренцию автомобилю, необходимо 
использовать самые легкие и прочные конструкционные материалы, а также высокоэффективные системы электропривода, последние достижения в 
области электроники, гелио и электротехники и аэродинамики. Однако 
даже максимальной мощности солнечных батарей и электромоторов величиной 1,5-2 кВт не хватает для соперничества, поскольку эффективность 
доступных по цене фотоэлектрических преобразователей пока только 10 - 
12 %, а не 40-50 %. 

Мобильная фотоэлектрическая станция. Мобильная фотоэлек
трическая станция представляет собой автономный источник энергии и 
может быть использована как в полевых условиях, так и для стационарного потребления. Хотя, конечно, основным предназначением станции служит зарядка аккумуляторов [9]. 

Принцип действия мобильной фотоэлектрической станции заклю

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии 
 

 
5

чается в прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию 
посредством солнечных элементов. Станция состоит из 4-х модульных 
солнечных батарей, сборно-разборной конструкции и межмодульного кабеля.  

Солнечные элементы, используемые в модулях, с лицевой стороны 

защищены светостойкой пленкой, а с тыльной стороны имеют жесткую 
подложку. Все это позволяет защитить их от механических повреждений и 
воздействий окружающей среды. Модули солнечных батарей удобны для 
хранения и транспортировки, так как они представляют собой удобную 
складную конструкцию. Если же говорить об электрических характеристиках, то помощью кабеля возможна коммутация параллельно всех модулей 
для зарядки аккумуляторов номинальным напряжением 12 В, а последовательно-параллельно для напряжения 24 В. Чтобы достичь напряжения в 48 
В, необходимо все модули соединить собственными токовыводами в последовательную цепь.  

Портативная система солнечного электропитания. Данная сис
тема предназначена преимущественно для питания бытовой и специальной 
аппаратуры постоянного тока, имеющих мощность до 60 Вт, и основывается на солнечных фотоэлектрических модулях. В состав портативной системы входят: солнечная батарея, герметизированная аккумуляторная батарея с контроллером заряда-разряда и устройством сигнализации, сетевой 
адаптер и светильник с люминесцентной лампой. 

Среди особенностей системы можно выделить следующие: 
- аккумулирование энергии, поступающей от  различных источни
ков, в том числе термоэлектрических, солнечных батарей и сетевого зарядного устройства; 

- простота эксплуатации и сборки, технологичность, осуществляе
мые благодаря использованию электрических разъемов; 

- небольшой вес и неоспоримая компактность, что немало важно 

для мобильности системы. 

Солнечная кухня. Солнечная кухня представляет собой бытовую 

гелиоустановку, предназначенную для приготовления пищи. Основным 
элементом является гелиоконцентратор, который фокусирует солнечные 
лучи на поверхности приемника излучения – посуды, в которой готовится 
пища. 

Зачастую гелиоконцентраторы, используемые для солнечной кухни, 

имеют невысокую точность фокусирования солнечного излучения, однако 
ее вполне достаточно для удобства в бытовом применении. Вращение 
вслед за видимым движением Солнца осуществляется вручную, а КПД установки достигает 55-60 %.  

Если говорить о преимуществах использования солнечной кухни, 

то можно отметить ее компактность для использования в походных условиях, незаменимость при отсутствии газоснабжения и, безусловно, бюд

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 
 

 
6

жетность данной установки. 

Светильники на солнечных батареях. Сегодня уже мало кого 

удивишь использованием фотоэлектрических систем для ночного освещения улиц, автострад и других территорий. Эти системы имеют автономное 
электроснабжение на базе солнечного модуля, что позволяет сделать освещение мало затратным. 

Принцип действия таких систем не только надежен, но и прост. В 

течение светового дня фотоэлектрический элемент заряжает аккумуляторы, превращая солнечную энергию в электрическую. В ночное время светильник автоматически загорается и продолжает гореть до наступления 
рассвета. 

На зарядку аккумуляторов интенсивность солнечного излучения не 

влияет, он способен заряжаться даже в пасмурную погоду, не говоря уже о 
зимнем сезоне.  

В состав фотоэлектрической системы входит: 
- фотоэлектрический модуль, преобразующий солнечный свет в 

электроэнергию; 

- аккумулятор, накапливающий энергию. Обычно используются 

герметичные и необслуживаемые аккумуляторы, срок службы которых не 
превышает 10 лет; 

- контроллер, который оптимизирует уровень зарядки/разрядки ак
кумулятора, автоматически включает освещение в ночное время и выключает в световой период; 

- инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный; 
- осветительный блок, включающий плафон и лампу. 
Безусловно, все электронные приборы фотоэлектрической системы 

снабжены защитой от короткого замыкания, перегрева и перегрузки, что 
обеспечивает надежность и эффективность работы системы. 

В заключении отметим, что в настоящее время на территории Рос
сии существует восемь предприятий, которые имеют технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и 
модулей в год. Развитие фотоэлектрической отрасли требует помимо традиционного и привычного кремния производство специального закаленного стекла с низким содержанием железа, алюминиевого проката и электронных регулирующих устройств. России такие производственные мощности на сегодняшний день доступны. 

Потенциальные возможности солнечной энергетики чрезвычайно 

велики, и помимо большого числа положительных аспектов в пользу использования этого ресурса по сравнению с традиционной энергетики, как 
уже говорилось в начале, существует один главный недостаток. Несмотря 
на то, что для обеспечения всех энергетических потребностей мира необходимо и достаточно всего лишь 0,0125 % всего количества энергии Солнца, к сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциалы удастся 

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии 
 

 
7

реализовать в больших масштабах. Во-первых, это невозможно по причине 
низкой интенсивности солнечного излучения. К примеру, чтобы коллекторы за год уловили энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человека, их нужно разместить на территории площадью 
130000 км2. И во вторых, использование такого большого числа коллекторов влечет за собой значительные материальные затраты [2, 5]. Возможно 
ситуация изменится в лучшую сторону, если удастся использовать более 
дешевые материалы для изготовления коллекторов. 
 

Список литературы 
 

1. Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники 

энергии / Ахмедов Р.Б. М.: Знание, 1988. 46 с. 

2. Безруких П.П. Состояние и перспективы развития возобновляе
мой энергетики // Электрика. 2008. № 9. С. 3-10. 

3. Ионов В.С. Солнечная энергетика уже давно не экзотика // Энер
госбережение. 2006. № 6. С. 82-83. 

4. Уделл С. Солнечная энергия и другие альтернативные источники 

энергии / Уделл С. М.: Знание, 1980. 88 с. 

5. Шетов В.Х. Перспективы солнечного теплоснабжения // Энерго
сбережение. 2006. № 2. С. 98-99. 

6. Дедух Д.Г. Достоинства и недостатки энергетики на нетрадици
онном сырье // Актуальные проблемы современной науки. 2004. № 6.  
С. 412-416. 

7. Горбачева Л.А. Нам солнце строить и жить помогает // Энергия: 

экономика, техника, экология. 2010. № 1. С. 29-34. 
8. http://www.bibliotekar.ru/alterEnergy/26.htm
9.http://www.avante.com.ua/rus/library/lib perspektiv soln energetiki.h

tm

Алехин Владимир Анатольевич, магистр, alehin7777@mail.ru, Россия, Тула, 

Тульский государственный университет 
 

THE FIELD OF APPLICATION OF SOLAR ENERGY 
 

V.A. Alekhin 
 

This article considers the modern problem of mankind - the crisis of energy re
sources. This creates the need to use new sources, resorting to alternative energy. The main 
attention is paid to the areas of application of solar energy, as an environmentally friendly 
and renewable source of energy, also discusses the existing inventions, their design and principle of operation. 

Key words: energy crisis, alternative energy, non-traditional renewable sources of 

energy, solar energy, mobile photovoltaic station, portable solar power, solar kitchen, solar 
street light, solar collectors, solar radiation. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 
 

 
8

Alekhin Vladimir Anatolievich, master, alehin7777@mail.ru, Russia, Tula, Tula state 

University 
 
 
 
 
УКД 621.311.24 
 
ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ 
 
Е.В. Алехина 
 

Данная статья дает ответы на основные вопросы относительно ветроэнер
гетики. В ней рассмотрены такие аспекты, как преимущество ветровой энергии, что 
необходимо учитывать при создании ветроустановки и сколько электроэнергии она 
способна выработать, срок строительства и срок окупаемости ветроэлектростанций, качество ветровой энергии. 

Ключевые слова: возобновляемая энергия, ветроустановка, ветроэнергетиче
ский кадастр, коэффициент готовности, срок энергетической окупаемости, коэффициент энергетической эффективности. 
 
Вопрос о создании установок распределенного генерирования, использующих возобновляемые источники энергии и снижающих климатические и экологические изменения, уже давно стоит на повестке дня во 
всем мире. Наиболее быстрое развитие сектора возобновляемой энергии 
произошло в Германии, особенно за последний десяток благодаря стимулированию федеральным законом. На сегодняшний день Германия насчитывает более 21100 ветроустановок с заявленной мощностью около  
25 ГВт. В России же ветровая энергетика только на первой стадии развития [4]. 
Почему именно ветер? Легко объяснимо. Во-первых, энергия ветра 
бесплатна и неограниченна по сравнению с традиционными ресурсами. 
Во-вторых, её использование не наносит ущерб экологии и не приводит к 
климатическим изменениям. Конечно, в ветроэнергетике как и в любой 
другой энергетике есть свои минусы. Основной из них – это неустойчивый 
характер ветровых потоков. Низкое прогнозирование скорости ветра – 
наиболее важная проблема в современной энергетике, отсюда и неустойчивая работа ветроустановок, но эти вопросы решаемы в перспективе.  
Все же вернемся к самому понятию: что же такое ветер и как его 
можно измерить? 
Ветром называют циркулярное перемещение воздушных масс, вызванное неравномерным нагревом земной поверхности, а также вращением 
Земли вокруг своей оси. По происхождению выделяют несколько видов 
ветров: 
- ветры, связанные с особенностями нагревания земной поверхно

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии 
 

 
9

сти; 
- ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы над 
горными массивами; 
- ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы, но 
без нисходящей составляющей; 
- многочисленные пыльные вихри, шквалы, песчаные бури. 
Как природное явление ветер сильно влияет на жизнь и хозяйственную деятельность человека, но, тем не менее, оказалось возможным использовать его для производства энергии. 
Скорость ветра в настоящее время определяют таким прибором как 
анемометр преимущественного чашечного типа. Принцип действия основан на вращении чашки вокруг вертикальной оси, на которой расположен 
небольшой генератор, дающий импульсы, количество которых пропорционально скорости вращения. Полученные данные пересчитываются в скорость ветра. Направление ветра определяется прибором аналогичным 
флюгеру. Чаще всего оба прибора совмещают в монолитную конструкцию. 
Зная причину возникновения ветра и способ измерить его скорость, 
мы можем преобразовать его энергию в электрическую или механическую 
с помощью ветроустановки. Схематично принцип работы ветроустановки 
можно описать следующим образом. Лопасти ветроколеса связаны с оголовком, к которому крепится вал. Поток ветра попадает на лопасти ветроколеса, приводя его в движение. Через муфту вал соединяется с входным 
валом редуктора, а к выходному валу редуктора присоединяется генератор, 
благодаря которому и вырабатывается электрическая энергия. Редуктор в 
этой системе нужен для повышения скорости вращения вала до величины 
необходимой генератору.  
Тем не менее, для создания ветроустановки необходимо знать характеристики ветра. Иным языком их называют ветроэнергетическим кадастром – совокупность характеристик ветра с точки зрения использования 
его для производства механической или электрической энергии. 
К основным его составляющим относят среднегодовую скорость 
ветра, повторяемость скоростей, максимальную скорость ветра, распределение ветровых периодов и ветровых штилей, удельную мощность и 
удельную энергию ветра, ветроэнергетические ресурсы региона. 
Далее вполне логично задастся вопросом, сколько электроэнергии 
способна выработать ветроустановка. На примере рассмотрим ветроустановку мощностью 10 кВт.  
Как известно, электрическая энергия измеряется в Вт*ч или кВт*ч. 
Одна электрическая лампочка мощность 100 Вт за десять часов своей работы потребляет 1 кВт*ч электроэнергии. Если же вести речь о ветроустановке 10 кВт, то отдавать такую мощность она сможет только в том случае, если скорость ветра будет больше или равна номинальной скорости. 
Поэтому в среднем в год ветроустановка такой мощности способна выра

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 
 

 
10

батывать 15-20 тысяч кВт*ч в зависимости от среднегодовой скорости ветра того района, где она располагается [6]. 
Естественно, что отдельно стоящая ветроустановка сама по себе 
бессмысленна, поэтому их объединяют в группы для увеличения вырабатываемой мощности и снижения затрат на их обслуживание. 
Если же вести речь о сроках строительства ветростанций, то веря 
данным Европейской ветроэнергетической ассоциации, ветростанция на 
суше мощность 10 Мвт может быть построена за 2 месяца, из которых основное время уходит на сооружение фундамента и выдержку бетона, а непосредственно монтаж ВЭУ длится в течение 2 - 3 дней. 
Ветростанцию мощностью 50 МВт могут построить за 1,5 - 2 года. 
В этом случае основное время уходит на измерение скорости ветра на территории строительства – минимум полгода.  
Готовность к работе ветроустановки обычно определяют коэффициентом готовности. Коэффициент готовности отражает надежность ветроустановки. Он показывает в процентах время за календарный год, в течение которого установка готова вступить в работу за вычетом времени на 
обслуживание и ремонт. Ветроустановки имеют величину коэффициента 
готовности 98 %, это самая высокая цифра среди всех генерирующих источников. 
Несмотря на такие отличные данные относительно коэффициента 
готовности ветроустановки, процесс включения этого вида энергии в общую энергетику пока затруднен. Что нужно сделать с технической точки 
зрения, чтобы облегчить интеграцию ветровой энергии в энергосистему? 
Если смотреть на это все поверхностно, то никаких серьезных изменений и 
не видно, кажется даже наоборот, что ветроустановка облегчает условия 
работы электрической сети. Но копнув глубоко, выясняется, что если установка подключается к трансформатору, от которого питается город или 
другой населенный пункт, со стороны низкого напряжения, то снижается 
потребляемая из сети мощность и режим работы облегчается. Соответственно уменьшаются потери энергии и напряжения в линии электропередачи от трансформатора до основной сети.  Однако проблемы с обеспечением устойчивости могут возникнуть, когда доля мощности ветростанции в 
системе достигает 10 % и более от потребляемой мощности, но пока таких 
величин достичь не удалось. Чтобы таких проблем избежать, нужно в первую очередь пересмотреть условия работы релейной защиты и автоматики 
и проверить отключающую способность выключателей на подстанции. 
И тем не менее главная трудность присоединения ветростанции в 
энергосистеме в экономическом аспекте. До сих пор не пришли к единому 
тарифу, по которому энергосистема принимала бы энергию от ВЭС, хотя 
действующие нормативные документы позволяют установить тариф, который бы мог обеспечить окупаемость ВЭС в срок 5-10 лет. 
Сам по себе срок энергетической окупаемости – это термин, обо