Современные проблемы науки и образования

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 
ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И 

ОБРАЗОВАНИЯ 

У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е 

для обучающихся направления 35.04.06 – Агроинженерия, профиль  
«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем» 
 

 

 

 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

 2018 

УДК 303.09 

 

 

М.М. Беззубцева, В.С. Волков. Современные проблемы науки и образования – СПб.: СПбГАУ, 
2018. –220с. 
 

Рецензенты: 
                      д-р. техн.наук, профессор ИТМО А.Г. Новоселов; 
                      д-р. техн.наук, профессор ФГБНУ «ИАЭП» С.А. Ракутько. 
 

 

В учебном пособии рассмотрены современные проблемы науки и образования, решение 
которых способствует устойчивому развитию отраслей АПК — одному из главных условий 
социально-экономической стабильности общества и укрепления энергетической безопасности 
аграрного сектора экономики. Энергетика, экономика и экология являются составляющими 
устойчивого развития агроэнергетики. При этом  приоритетная роль принадлежит надежному и 
эффективному энергообеспечению — фундаменту потребительских систем АПК. Структура 
построения глав пособия предопределяет не только понимание проблем эффективного развития 
агроэнергетики, но  и представляет широкий спектр проблемных вопросов для самостоятельной 
научно-исследовательской и практической деятельности обучающихся. 
Учебное пособие рекомендовано для студентов (уровень магистр), обучающихся по 
направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профилю «Энергетический менеджмент и 
инжиниринг энергосистем». Может быть использовано в очно- заочном обучении. Представляет 
интерес для специалистов и научных работников, занимающихся проблемами повышения 
энергоэффективности предприятий АПК.  
 

 

Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего размещения в 
электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Методическим советом 
СПбГАУ, Протокол № 4 от «30» марта 2018 г. 
 
 

 

 

 

©  М.М. Беззубцева,  
©  В.С. Волков, 
© СПбГАУ

СОДЕРЖАНИЕ 
Введение ............................................................................................................................................. 4 
Глава 1 Научные исследования в агроэнергетике .................................................................. 14 
1.1. Анализ проблем энергообеспечения сельскохозяйственного производства .................. 14 
1.2.Цели и этапы научных исследований в агроэнергетике .................................................... 17 
1.3. Проблемные исследования по научной специальности агроэнергетики 
«Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве» .................................... 33 
1.4. Интеграция науки и образования при подготовке агроинженерных кадров 
электротехнических специальностей по авторским дисциплинам программ магистратуры 
«Электротехнологии и электрооборудование в АПК» и «Энергетический менеджмент и 
инжиниринг энергосистем» ........................................................................................................ 35 
Глава 2 Инновационный потенциал нанотехнологий в решении проблем энергетики .. 47 
2.1. Применение нанотехнологий в энергетике ........................................................................ 47 
2.2. Перспективные элементы  наноэлектроники для энергетики АПК ................................. 58 
2.3. Топливные  элементы ........................................................................................................... 71 
2.4. Нанотехнологии в солнечной энергетике ........................................................................... 75 
2.5. Твердотелые светительные элементы с высоким КПД ..................................................... 80 
2.6.  Перспективы внедрения в энергетику технологий (ТАТ) и производств (ПАТ) с 
атомарной точностью (АТ) ......................................................................................................... 82 
Глава 3. Инновационный потенциал водородной энергетики ............................................. 87 
3.1. Факторы, определяющие развитие водородной энергетики ............................................ 87 
3.2. Технологии производства и хранения водорода ................................................................ 90 
3.3. Концепция крупномасштабного применения водорода .................................................... 93 
3.4. Становление водородной энергетики за рубежом и в России .......................................... 95 
Глава 4. Сущность и характеристика проблемы энергетической безопасности ............ 117 
Глава 5. Роль научных  школ в образовательных учреждениях подготовки          
научных кадров ............................................................................................................................ 132 
5.1. Определение научных школ .............................................................................................. 132 
5.2. Классификация научных школ .......................................................................................... 134 
Классификация по широте исследуемой предметной области ............................................. 141 
Классификация по функциональному назначению продуцируемых знаний ....................... 141 
Классификация по форме организации деятельности учеников ........................................... 142 
5.3. Признаки научной школы .................................................................................................. 146 
Глава 
6. 
Аналитический 
обзор 
изобретений 
научной 
школы 

«эффективное использование энергии, интенсификация электротехнологических 
процессов» ..................................................................................................................................... 168 
6.1. Электромагнитная механоактивация в постоянном электромагнитном поле .............. 168 
6.2. Изобретения научной школы ............................................................................................. 177 
Заключение.................................................................................................................................... 195 
Литература .................................................................................................................................... 196 
Приложение 1 ................................................................................................................................. 210 
Приложение 2 ................................................................................................................................. 218 
Приложение 3 ................................................................................................................................. 219 
 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Аграрная    наука   —  это   специфическая   отраслевая   наука, 

представляющая    собой   совокупность   систематизированных   
знаний, применяемых товаропроизводителями   для   эффективного  
ведения агропромышленного производства [14].  
 
Стратегическими направлениями развития аграрной науки 

являются:  
– 
создание 
инновационных 
конкурентоспособных 

импортозамещающих 
   технологий и оборудования;  
– совершенствование   государственного  регулирования  в области 
   развития науки и технологий;  
– повышение  эффективности  использования  результатов  научной  
и  научно-технической деятельности;  
– интеграция науки и образования при подготовке агроинженерных 
   кадров;  
– сохранение  и развитие кадрового потенциала научно-технического  
    комплекса;  
– развитие международного научно-технического сотрудничества. 
      
Стратегическая   цель  деятельности  аграрной  науки - 

научное   обеспечение эффективного развития  агропромышленного 
комплекса (АПК), отличающегося структурой своих специфических  
задач,  обусловленных огромным  разнообразием  природно-
климатических  и  почвенных условий, уровнем  биоклиматического  
потенциала 
 
в 
 
регионах 
 
России 
и 
особенностями 

агроэнергетического развития. Земельные ресурсы на огромной 
территории страны включают более 110 типов почв, а земля  
сельскохозяйственного  назначения  для  аграрной науки является 
основной  базой   для   проведения   фундаментальных   и   
прикладных исследований.  Сюда же относятся и биологические 
организмы – растения, животные  и  микроорганизмы,  с  изучением, 
содержанием  и использованием которых в основном и связан 
процесс получения новых знаний. 

Все  это  обуславливает  отличие  деятельности  аграрной 

науки от 
науки  других  отраслей  экономики  страны.  Поэтому  при  
определении стратегического  направления развития аграрной науки 
непременно должны учитывать эти условия. 
 
Особая роль в аграрной науке принадлежит научным 

исследованиям в области агроэнергетики [17]. В последнее время 
сельскохозяйственное производство развивалось исключительно в 
экстенсивном и энергоемком направлениях. Достижение роста 
производства 
сельскохозяйственной 
продукции 
и 
повышение 

производительности труда, достигаемое  за счет использования более 
мощной техники, увеличения потребления топлива, металла и 
электроэнергии является неэкономичным и бесперспективным. При 
таком ведении хозяйства  расходуется  в 2 – 3 раза больше топливно-
энергетических ресурсов на единицу валового внутреннего продукта, 
чем в экономически развитых странах со сходными климатическими 
условиями и структурой экономики.  
Основными причинами нерационального использования ТЭР в 
АПК являются [18]: 

- недооценка роли энергетики в развитии АПК; 
- морально 
и 
физически 
устаревшее 
технологическое 
оборудование 
в 
сельскохозяйственном 
производстве 
и 
перерабатывающих отраслях; 
- значительные затраты тепловой и электрической энергии в 
животноводстве 
на 
поддержание 
в 
производственных 
помещениях требуемых параметров микроклимата (особенно 
для молодняка); 
- низкоэффективные ведомственные котельные с протяженными 
тепловыми сетями; 
- наличие 
большого 
числа 
электродвигателей 
для 
технологических установок, эксплуатируемых с минимальной 
загрузкой; 
- неэкономичные системы электроосвещения; 

- недостаточное 
внедрение 
в 
производственные 
процессы 
энергоэффективных электрофизических, электрохимических и 
электробиологических методов и способов электротехнологий. 
Проведенные 
исследования 
показали, 
что 
в 
результате 
длительного периода неэффективного использования топливно-
энергетических 
ресурсов 
в 
АПК 
имеется 
значительный 
неиспользуемый потенциал энергосбережения, который оценивается 
в 25–30 % от сложившегося потребления ТЭР. Энергоэффективность 
может быть повышена за счет снижения расхода топлива и (или) 
энергии на единицу выпускаемой продукции, или ВВП, и 
совершенствования 
структуры 
энергетического 
процесса 
и 
производства [27]. 
Энергоэффективность 
— 
вопрос 
не 
только 
технико-
экономический. 
Энергоэффективность 
имеет 
также 
большое 
социальное, воспитательное и экологическое значение, так как дает 
возможность сократить выброс вредных веществ и снизить тепловое 
загрязнение окружающей среды [4, 34, 67, 105]. 
Стратегия повышения энергоэффективности в отраслях АПК 
должна включать: 
- эффективное использование топлива и энергии; 
- замену дорогостоящих видов топлива на более дешевые; 
- максимальное использование местных ТЭР; 
- децентрализация источников теплоснабжения; 
- использование энергоэффективных технологий и оборудования, 
нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. 
Следует отметить, что на предприятиях АПК недостаточно 
эффективно 
 
ведется 
работа 
по 
использованию 
вторичных 
энергетических ресурсов (ВЭР). Если в промышленности потенциал 
ВЭР, возможный для использования, оценивается в 12 млн. Гкал, то в 
АПК – в 2,5 – 3,0 млн. Гкал. Если в промышленности препятствием 
полного использования ВЭР являются неразрешимые сложности по 
их применению в технологиях, то в АПК имеются широкие 

возможности для их использования – теплицы, сушилки, отопление, 
вентиляция и т. п. 
Большой потенциал энергосбережения кроется в снижении 
энергетических ресурсов на обогрев и вентиляцию зданий за счет их 
тепловой реабилитации. Повысить эффективность использования 
электрической энергии можно за счет применения частотно-
регулируемого электропривода на общепромышленных механизмах с 
вентиляторной 
нагрузочной 
характеристикой 
(компрессоры, 
вентиляторы, дымососы, воздуходувки, насосы),  работающие с 
переменной производительностью в соответствии с технологическим 
регламентом. 
Экономия электрической энергии и снижение затрат на 
электрическое 
освещение 
могут 
быть 
получены 
за 
счет 
совершенствования систем освещения, использования эффективных 
источников света, правильного выбора и рационального размещения 
светильников, 
применения 
новых 
осветительных 
приборов 
и 
устройств, организации эффективного управления освещением и его 
автоматизации, рационального построения осветительных сетей, 
планомерной и качественной эксплуатации осветительных установок. 
Значительно снизить расход электроэнергии можно при освещении 
производственных и административно-бытовых помещений за счет 
замены светильников с лампами накаливания и люминесцентными с 
электромагнитными пускорегулирующими устройствами (ПРУ) на 
люминесцентные 
с 
электронными 
пускорегулирующими 
устройствами (ЭПРУ). К сожалению, это мероприятие пока не 
получило должного распространения из-за высокой стоимости 
электронных пускорегулирующих устройств. 
Весьма перспективными для производств АПК являются 
следующие энергоэффективные технологии [73, 107]: 

- системы 
комбинированной 
выработки 
электроэнергии 
и 
теплоты для автономных сельскохозяйственных потребителей 
(когенерация и тригенерация энергии), позволяющие получать 
значительную экономию ТЭР;  

- энергосберегающие 
технологии 
и 
системы 
машин 
для 
производства продукции животноводства и растениеводства;  
- системы 
утилизации 
природной 
и 
отходящей 
теплоты 
(гелиоустановки, тепловые насосы и т. п.);  
- энергосберегающие системы обеспечения микроклимата в 
животноводческих помещениях с утилизацией и рециркуляцией 
теплоты воздуха; 
- энергосберегающие 
технологии 
в 
системах 
сельского 
водоснабжения. 
Из организационно-технических мероприятий представляют 
интерес разработки по управлению мощностью систем отопления, 
вентиляции и кондиционирования воздуха, например, с целью 
снижения его температуры в ночное время и т. п. 
И, 
безусловно, 
перспективным 
энергоресурсосберегающим 
направлением представляется разработка электротехнологических 
методов, оборудования и технических средств, обеспечивающих 
получение качественных продуктов питания, семенного материала и 
кормов для животных. Результаты исследований в этой области 
свидетельствуют, что внедрение в аппаратурно-технологические 
системы 
 
электрофизических, 
электрохимических 
и 
электробиологических методов и способов механоактиваци позволяет 
снизить в несколько раз энергоемкость продукции, выпускаемой в 
аграрном секторе экономики.  
Серьезную 
озабоченность 
вызывает 
кадровый 
вопрос 
в 
агроэнергетике. Почти повсеместно энергетические службы не 
укомплектованы 
специалистами-профессионалами, 
сельскохозяйственные предприятия обеспечены электротехническим 
персоналом в среднем на 30 — 35 %. Недостаточно ведется 
подготовка специалистов высшей квалификации в этой области. 
 Целесообразно отметить, что известные в настоящее время 
традиционные программы по электроснабжению,  не являющемуся 
отраслевым бизнесом (т.к. энергия в АПК не производится, не 
распространяется и не продается, а только потребляется), не 

позволяют подготовить профессионалов, способных обеспечить 
финансовую устойчивость и энергоэффективное стратегическое 
развитие сельскохозяйственных регионов. В этой связи, как показал 
многолетний опыт работы в этом направлении, к приоритетному 
направлению подготовки агроинженерных технических и научных 
кадров 
энергетических 
специальностей 
является 
обучение 
энергосбережению 
с 
оптимизацией 
основного 
показателя 
— 
энергоемкости выпускаемой продукции (с последующим переходом к 
экономическому показателю — «энергорубль») [35, 45, 108].  
Эффективность энергообеспечения и энергопотребления в 
значительной степени зависит от уровня научного и кадрового 
обеспечения. К его недостаткам следует отнести отсутствие 
стратегических исследований, системности и комплексности в 
решении стоящих проблем, скоординированных целевых научных 
программ по развитию энергетики и электрификации АПК. Выход из 
создавшегося положения состоит в проведении фундаментальных и 
поисковых исследований по развитию аграрной энергетики  и 
разработке 
рациональных 
систем 
энергообеспечения 
и 
энергосберегающего оборудования. 
Цель этих исследований — обоснование стратегии создания 
энергетических средств, определение объемов их производства, 
экспорта и импорта для реализации перспективных технологий 
производства 
сельскохозяйственной 
продукции 
и 
создания 
социально-бытовых условий для сельского населения. Рациональные 
системы 
энергообеспечения 
и 
энергосберегающие 
технологии 
должны стать основой инженерно-технического обеспечения АПК 
[46].  
Мировой опыт показывает, что стоящие проблемы наиболее 
эффективно можно решать в комплексе на основе интеграции 
обучения, науки и производства, например, путем создания 
инновационного учебно-научно-практического центра энергетики 
АПК. 

Системные принципы подготовки кадров с высшим образованием в 

рамках стандартов образования имеют следующий вид: 

- принцип целеполагания и ограничений для синтеза объектов 

агроэнергетики, задающий цели образования балансовыми или 
интервальными экономико-математическими моделями; 

- принцип 
формирования 
математического, 
физического, 

химического и других видов моделирования, анализа и синтеза 
объектов агроэнергетики, реализующий фундаментализацию 
подготовки на основе комплекса моделей управления и 
оптимизации; 

- принцип интеллектуализации 
кадров для агроэнергетики, 

доведенный 
до 
уровня 
эффективной 
интеллектуализации 

деятельности кадров при решении новых задач развития 
энергетической науки, техники и технологий. 

Структура 
программ 
подготовки 
определяется 
основными 

составляющими [44]: 

- образовательно-технологический компонент; 

- научно-технологический компонент; 

- организационно-технологический компонент; 

- экономико-технологический компонент; 

- социально-технологический компонент; 

- другие технологические компоненты. 
Такой подход является важным технологическим элементом 
синтеза 
объектов 
агроэнергетики 
на 
основе теории 
знаний, 
требований к содержанию и результатам образования, которые 
создают условия реализации личного контроля обучающимися за 
достигнутыми результатами, которые непосредственно связаны с 
успешностью 
деятельности 
кадров 
вэнергетической 
сфере 
агропромышленного комлекса. 
Энергосберегающие мероприятия в последнее время находят все 
большее применение в хозяйствах АПК и имеют высокую технико-
экономическую эффективность. 

Анализ 
проблем 
науки 
и 
образования 
при 
подготовке 
агроинженерных 
кадров 
электротехнических 
специальностей 
показал, что необходимо учитывать и тот факт, что в последнее время 
в научных и политических кругах большое внимание уделяется 

проблемам внедрения системных комплексных инноваций в мировую 
электроэнергетику 
[108, 
109]. 
 
Подготовка 
агроинженеров 
электротехнических специальностей должна проводиться с учетом 
новейших разработок мировой энгергетики.  Мир сегодня потребляет 
очень много нефти, газа и угля. Если не позаботиться о внедрении 
альтернативных видов топлива в повседневную жизнь, скоро может 
наступить такой момент, когда ресурсы начнут истощаться. К 
альтернативной энергетике можно отнести любую, не использующую 
в качестве топлива нефть, газ и прочие исчерпаемые ресурсы [53, 56]. 
Массовый переход к альтернативным источникам при этом пока не 
происходит, но мировое сообщество активно обсуждает острую 
необходимость 
внедрения 
такого 
рода 
инноваций 
в 
электроэнергетике [14]. Многие ученые утверждают, что это 
единственный путь для человечества, а также прогнозируют уже к 
2030 году долю нетрадиционных методов в 13%. Российские ученые 
утверждают, что углеводородов хватит человечеству максимум на 50 
лет. За это время просто необходимо полностью перейти на новую 
систему. 
В связи с развитием проблемы и стремлением многих 
государств 
на 
политическом 
уровне 
внедрять 
инновации 
в 
электроэнергетике, лауреат Нобелевской премии Жорес Алферов 
предложил ввести неподвластную инфляции валюту – энергорубль. 
Но было подсчитано, что современные технологии получения 
альтернативной энергии обходятся невероятно дорого, ведь общие 
затраты на производство такой энергии часто превышают количество 
полученной в результате энергии. Исключением являются такие 
случаи, 
когда 
потребитель 
удален 
от 
источников 
большой 
энергетики. Тогда оправдано использование малой. 
Мировое сообщество давно стремится к развитию инноваций в 
электроэнергетике. Учитывая опыты Н.Тесла по беспроводной 
передаче энергии, некоторые ученые видят выход в развитии 
технологий по добыче энергии Солнца, которое по теории может 
полностью покрыть все потребности в энергии человечества. При 
этом важно помнить, что для развития и внедрения в жизнь