Федеральная целевая программа

Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Соглашение
14.577.21.0073 от 05.06.2014
на период 2014 – 2016 гг.
Тема: Разработка научно-технических решений по
созданию гибридного источника электроэнергии на основе
ТОТЭ и системы накопления для ответственных
потребителей
Руководитель проекта: д.т.н., профессор
Лоскутов Алексей Борисович
Энергоэффективность, энергосбережение и ядерная энергетика
Участники проекта
Получатель
субсидии:
образовательное
"Нижегородский
федеральное
учреждение
высшего
государственный
государственное
бюджетное
профессионального
образования
технический
университет
им.
Р.Е.Алексеева»
Индустриальный партнёр: ЗАО «Энерготехнология»
•Сфера деятельности – проведение строительных, монтажных, проектных и
электромонтажных работ
•Внебюджетное финансирование за 2015 г. – 9 250 000 руб.
Соисполнители:
1. ЗАО «Электро Интел» (проведение работ по созданию преобразователя
напряжений гибридного источника электроэнергии).
2. НП «Нижегородский региональный центр наноиндустрии» (разработка
научно-технических решений по созданию модуля ЭХГ на основе ТОТЭ).
3. ООО «Омега» (изготовление комплектующих для батареи высокоемких
щелочных
никель-кадмиевых
аккумуляторов
с
безламельными
электродами).
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ФЦП ИР
2014-2020
2
Цели и задачи проекта
Цель проекта - Разработка и изготовление экспериментального образца
интеллектуального
энергоэффективного
гибридного
источника
электроэнергии на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ),
никель-кадмиевого аккумулятора и емкостного накопителя, обеспечивающего
высокую
надежность
и
длительность
бесперебойного
электроснабжения
ответственных потребителей.
Новизна
предлагаемого
разрабатываемый
осуществлять
гибридный
режимы
работы
решения
источник
при
заключается
в
том,
электроэнергии
динамическом
что
позволяет
изменении
мощности
нагрузки и неизменном токе потребления от ЭХГ на ТОТЭ, что дает
возможность повысить маневренность энергоустановки, уменьшить расход
топлива и увеличить ресурс работы ТОТЭ.
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ФЦП ИР
2014-2020
3
Ожидаемые результаты проекта
1.
Экспериментальный
образец
интеллектуального
энергоэффективного
гибридного источника электроэнергии на основе твердооксидных топливных
элементов, никель-кадмиевого аккумулятора и емкостного накопителя.
2. Проект технического задания на выполнение опытно-конструкторской
работы
«Разработка
и
создание
опытного
образца
интеллектуального
энергоэффективного источник электроэнергии на основе ТОТЭ и гибридного
накопителя».
По
выполняемым
функциям
разрабатываемый
экспериментальный
образец не уступает мировым аналогам.
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ФЦП ИР
2014-2020
4
Перспективы практического использования
Применение
разрабатываемых
гибридных
источников
электроэнергии
наиболее перспективно для электроснабжения ответственных потребителей
электроэнергии, таких как объекты оборонной и космической отраслей
промышленности, объекты горной промышленности, метеостанции, системы
связи
и
оповещения,
телекоммуникационные
организации,
линейные
потребители магистральных газопроводов.
Также
результаты
проекта
могут
быть
использованы
для
решения
проблемы обеспечения энергетической безопасности особо важных объектов в
энергодефицитных
или
осваиваемых
районах
и
автономных
электропотребителей.
Положительный
эффект
от
внедрения
интеллектуальных
гибридных
источников электроэнергии заключается в обеспечении высокой надежности и
длительности бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей.
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ФЦП ИР
2014-2020
5
Результаты исследовательской работы,
полученные в 2015 г.
1.
Разработана
математическая
модель
щелочного
никель-кадмиевого
аккумулятора с безламельными электродами.
Аккумулятор
j1
Положительный электрод
Программная реализация математической модели
Y1
Граничные условия
Ток
j2
Y2
Y
Межэлектродное пространство
Граничные условия
j3
Отрицательный электрод
Y3
 dΨ р
1
RT K t i


i

grad ln c i;


ЭФФ р
dx
χ
F
z
i

1
р
i

1
 dΨ тв
 dx   χ ЭФФ i тв;
тв

Ψ

Ψ

U
тв
р
ом  u i  f(j);


1 di тв
 j  S dx ;
уд

i р  i тв  I р;

i р  i тв ,
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ФЦП ИР
2014-2020
6
Результаты исследовательской работы,
полученные в 2015 г.
2. Разработана и изготовлена физическая модель батареи высокоемких
щелочных
никель-кадмиевых
аккумуляторов
с
безламельными
электродами и проведены ее исследования.
Технические характеристики физической модели
Характеристика
Значение
Номинальная емкость
15 А·ч
Номинальное напряжение (при 10
часовом разряде)
14,4 В
Режим заряда
1,5 А
Продолжительность заряда
14 ч
Конечное разрядное напряжение (при
токе разряда 1,5 А)
1В
Полный средний ресурс
Емкость после 28-суточного хранения
1000 циклов
12 А·ч
Габаритные размеры
176х149х135,5 мм
Масса с электролитом
8,4 кг
Масса без электролита
7,2 кг
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ФЦП ИР
2014-2020
7
Результаты исследовательской работы,
полученные в 2015 г.
3. Разработан алгоритм работы преобразователя контроля, регулирования и
перераспределения токов заряда/разряда аккумуляторов и конденсаторов.
Пуск
Выполнение
запуска
ТОТЭ
Определение
параметров
АБ
Определение
Параметров
ТОТЭ
Диагностика
Состояния АБ
Формирование
t импульсов упр.
конвертора 1
Заряд АБ
Разряд АБ
Полный
разряд
АБ
Формирование
t импульсов упр.
зар. устройства
Определение
Параметров
нагрузки
Определение
Параметров
ЕН
нет
нет
Ток > I н
да
Q >0,75 Q
да
Формирование
t импульсов упр.
конвертора 2
Разряжен
ЕН
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
Формирование
t импульсов упр.
DC/AC
Отключен
ТОТЭ
Базовый критерий:
поддержание напряжения
на конденсаторах ЕН в
диапазоне от 350 В до 450 В.
Регулирование величин токов
АБ и ЕН осуществляется за счёт:
•преобразователя DC/DC1;
•преобразователя DC/DC3;
•блока диагностики состояния
АБ.
Формирование
аварийных команд
ФЦП ИР
2014-2020
8
Результаты исследовательской работы,
полученные в 2015 г.
4. Разработана и исследована имитационная модель преобразователя.
Исследуемые режимы работы
№
Величина расчетной
нагрузки (Рр)
Временной
интервал,
с
Режим перераспределения токов
1
Рр = 0
0-0,5
ПРТ передает ЭЭ от ТОТЭ на
аварийный разрядник и АБ
2
Рр = Рном гиэ
0,5-1
ПРТ передает ЭЭ от ТОТЭ на нагрузку
3
Рр = 0,5Рном ГИЭ
1-1,5
4
Рр = 2Рном ГИЭ
1,5-2
5
Рр = 3Рном ГИЭ
(пиковая нагрузка)
2-2,5
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ПРТ передает ЭЭ от ТОТЭ на нагрузку
и АБ
ПРТ передает ЭЭ от ТОТЭ и АБ на
нагрузку
ПРТ передает ЭЭ от ТОТЭ, АБ и ЕН на
нагрузку
ФЦП ИР
2014-2020
9
Результаты исследовательской работы,
полученные в 2015 г.
5. Разработана и изготовлена физическая модель ЭХГ на основе ТОТЭ и
проведены ее исследования.
Технические характеристики физической модели
Характеристика
Топливо
Значение
синтез-газ
Окислитель
воздух
Номинальная мощность
0,5 кВт
Выходное напряжение
Гарантированное количество пусков с
температуры 20°С до рабочей
Гарантированный срок службы
Габаритные размеры
Масса
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
24 В
250 циклов
15 000 часов
800х500х710 мм
30 кг
ФЦП ИР
2014-2020
10
Результаты исследовательской работы,
полученные в 2015 г.
6. Разработан и изготовлен испытательный стенд для проведения испытаний
экспериментального образца гибридного источника электроэнергии.
Технические характеристики испытательного стенда
Характеристика
Напряжение питания
Частота напряжения питания
Полная мощность нагрузки
cosφ
Постоянное напряжение, формируемое
на выходе установки
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
Значение
220/380 В
50 Гц
1500 ВА
0,7
от 0 до ±50 В
ФЦП ИР
2014-2020
11
Состояние выполнения запланированных
индикаторов
№
п/п
Значение (за 2015 г.)
Единица
измерения Требуемое Фактическое
Наименование
Индикаторы
1
Число публикаций по результатам исследований и разработок в научных
журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть
науки" (WEB of Science), не менее
единиц
2
2
2
Число патентных заявок, поданных по результатам исследований и
разработок, не менее
единиц
2
2
3
Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности
исследователей - участников проекта, не менее
процентов
35
54,5
4
Объем привлеченных внебюджетных средств
млн. руб.
20
20
лет
46
40,7
Показатели
1
Средний возраст исследователей – участников проекта, не более
2
Количество мероприятий по демонстрации и популяризации результатов и
достижений науки, в которых приняла участие и представила результаты
проекта организация - исполнитель проекта, не менее
единиц
1
3
3
Число диссертаций на соискание ученых степеней, защищенных по
результатам исследований и разработок
единиц
0
0
4
Использование при выполнении исследований и разработок уникальных
научных установок
единиц
0
0
5
Использование при выполнении исследований и разработок научного
оборудования центров коллективного пользования научным оборудованием
единиц
0
0
6
Использование при выполнении исследований и разработок объектов
зарубежной инфраструктуры сектора исследований и разработок
единиц
0
0
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ФЦП ИР
2014-2020
12
Спасибо за внимание!
Докладчик:
д.т.н., профессор Лоскутов Алексей Борисович
тел. 8 (831) 432-91-85
loskutov@nntu.nnov.ru
Соглашение №<номер>
14.577.21.0073
ФЦП ИР
2014-2020
13