Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0071

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0071
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"
Название доклада
Разработка принципов построения и методики проектирования систем комбинированных магнитных подвесов кинетических накопителей энергии энергосберегающих систем распределения и использования энергии на основе высокотемпературных сверхпроводящих магнитных подшипников и пассивных магнитных опор
Докладчик
Курбатов Павел Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание новых высокоэффективных магнитных подвесов, опор и подшипников высокоскоростных роторных механизмов для повышения эффективности кинетических накопителей энергии за счет снижения потерь на сохранение энергии, что позволит ускорить их внедрение в энергосберегающие системы потребления и распределения электрической энергии. Достижение данной цели производится путем разработки новых методов моделирования и методики проектирования систем комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя энергии на основе высокотемпературных сперхпроводящих подшипников и пассивных магнитных опор, позволяющих эффективно использовать возможности современного оборудования и программного обеспечения для анализа и прогнозирования работы устройства как в целом, так и отдельных его узлов.
Актуальность и новизна исследования
Исследование направлено на решение актуальной проблемы повышения технико-экономической эффективности кинетических накопителей энергии (КНЭ) для энергосберегающих систем распределения и использования энергии за счет снижения затрат на сохранение энергии в КНЭ. Мировой рынок кинетических накопителей энергии оценивается в 30 млрд. долларов. КНЭ находят применение в качестве источников бесперебойного питания на АЭС, в малой возобновляемой энергетике, в системах электроснабжения промышленных, социальных объектов и на транспорте.
Новизна исследования состоит в разработке комплексной методики проектирования систем комбинированного магнитного подвеса КНЭ, включающей в себя численные расчеты электромагнитных полей с использованием новых моделей свойств высокотемпературных сверхпроводников и анализ динамических процессов, происходящих при работе устройства. Такой подход позволяет изучить все возможные режимы работы КНЭ, с учетом процессов, возникающих в магнитном подвесе и высокотемпературных сверхпроводниках, и спроектировать устройства с более высокими удельными характеристиками, с меньшими материалоемкостью и габаритами.
Описание исследования

Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, проведенный на первом этапе исследования, показал высокую заинтересованность научной среды в решении проблем, связанных с моделированием свойств высокотемпературных сверхпроводников и дальнейшем проектированием магнитных подвесов с их использованием. Возможность создания полной стабильной левитации при отсутствии активных электромагнитных подвесов, достигаемой благодаря электрофизическим свойствам высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов, является на данный момент наиболее перспективным решением для сохранения энергии в кинетических накопителях энергии (КНЭ). Однако для создания таких устройств необходимы методики проектирования и математические модели, позволяющие учитывать совокупность свойств сверхпроводников, существенно влияющих на работу всего подвеса.

В рамках данного исследования была разработана специальная модель свойств высокотемпературных сверхпроводников, применяемая при численном расчете электромагнитных полей, необходимом для выбора конфигурации и расчета характеристик ВТСП подвесов. Предложенная модель выделяет в ВТСП два вида источников магнитного поля - транспортные  токи и связанные токи (намагниченность). Для каждого  источника выбраны варьируемые параметры, позволяющие настроить модель для конкретного материала по результатам предварительных испытаний образца. Математическая модель позволяет учитывать частичный эффект Мейснера, что отличает ее от существующих моделей, описанных в литературе. Результаты теоретических исследований с использованием предложенной модели подтверждены экспериментальными данными.

Был проведен поиск наиболее эффективных решений в области комбинированных магнитных подвесов с ВТСП элементами и теоретические исследования конструкций подвесов и возможных улучшений. На основе полученных данных была выбрана и оптимизирована цилиндрическая обращенная конструкция ВТСП подвеса, удельные характеристики жесткости которой превышают известные аналоги.

Конструкция кинетического накопителя энергии, разработанная в процессе исследования, предполагает расположение всех его элементов в вакуумной камере. Для обеспечения работоспособности такой конструкции решен ряд технических и конструкционных вопросов:

- предложены конструкция магнитного бесконтактного арретира и системы начального центрирования, комбинированная со пассивной магнитной опорой на постоянных магнитах;

- разработана конструкция мотор-генератора с плоскими обмотками, встроенного в маховик КНЭ. Главным преимуществом конструкции является отсутствие феромагнитного сердечника в статоре и, следовательно, потерь на холостом ходу;

- разработана система охлаждения  жидким азотом для ВТСП элементов.

При проектировании была разработана комплексная модель КНЭ для анализа электромагнитных и механических процессов, включая ВТСП подвес и опоры с постоянными магнитами. Математическая модель устройства реализована в программной среде Matlab Simulink и позволяет выполнять расчеты параметров движения маховика КНЭ в комбинированном магнитном подвесе во всех режимах, необходимых для обоснования требований к магнитному подвесу. 

Технические решения оформлены в виде эскизной конструкторской документации, а также представлены в виде лабораторного образца кинетического накопителя энергии с комбинированным магнитным подвесом на основе высокотемпературных сверхпроводящих магнитных подшипников и пассивных магнитных опор.

В процессе исследования были проведены эксперименты с высокотемпературным сверхпроводящим материалом (иттриевая керамика) для подтверждения математической модели свойств ВТСП, а также экспериментальные исследования лабораторного образца кинетического накопителя энергии. Были разработаны программы и методики, использование которых возможно при дальнейших изучениях сверхпроводящих материалов, настройки модели свойств ВТСП и при испытаниях КНЭ.

На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований, изучения технических решения для комбинированной магнитной опоры КНЭ и возможностей новой модели свойств ВТСП обоснованы принципы построения и подготовлена методика проектирования систем комбинированных магнитных подвесов кинетических накопителей энергии.

Кроме того, проведены работы по технико-экономической оценке результатов исследования, маркетинговые исследования, на основе которых сформулированы рекомендации и предложения по использованию результатов исследования в реальном секторе экономики.

Результаты исследования

При выполнении исследования получены следующие результаты: 

  • Данные аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы и патентных поисков в области изучения свойств высокотемпературных сверхпроводников и технических решений конструкций с использованием ВТСП материалов
  •  Программа и методика экспериментальных исследований электрофизических свойств ВТСП материалов, результаты экспериментов, проведенных с образцами иттриевой керамики по разработанной методике
  •  Разработанные модели методов моделирования электромагнитных полей
  • Разработанные компьютерные модели статических и динамических свойств ВТСП материалов
  •  Эскизная конструкторская документация и подготовка лабораторного стенда для экспериментальных исследований экспериментального  образца комбинированной магнитной опоры кинетического накопителя энергии
  •  Данные расчетов параметров и теоретических исследований процессов в ВТСП подвесах различных конструкций. Сравнение с зарубежными и отечественными аналогами.
  •  Спроектированная конструкция ВТСП подвеса цилиндрической обращенной конструкции с удельными характеристиками осевой и радиальной жесткости превосходящими большинство известных конструкций.
  •  Комплексная математическая модель комбинированного магнитного подвеса для анализа электромагнитных и механических процессов, происходящих в опоре, необходимая для определения требований к ВТСП подшипникам в составе КНЭ.
  •  Принципы построения и методика проектирования систем комбинированных магнитных подвесов кинетических накопителей энергии
  •  Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец системы комбинированного магнитного подвеса в составе кинетического накопителя энергии.
  • Технологическая инструкция на изготовление экспериментального образца системы комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя энергии.
  •  Программа и методика испытаний экспериментального образца системы комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя энергии.
  •  Экспериментальный образец кинетического накопителя энергии со встроенным мотор-генератором и комбинированным магнитным подвесом с использованием ВТСП подшипников.
  •  Результаты экспериментальных исследований экспериментального образца комбинированного магнитного подвеса в составе кинетического накопителя энергии.
  •  Результаты доработки конструкции на основе экспериментальных исследований экспериментального образца комбинированного магнитного подвеса. Доработанная эскизная конструкторская документация и технологическая инструкция на экспериментальный образец комбинированного магнитного подвеса.
  • Обобщение результатов исследования, в том числе технико-экономическая оценка.
  • Рекомендации и предложения по использованию результатов исследований.
  • Техническое задание на ОКР по теме "Создание комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя с запасаемой энергией 30 МДж".
  • Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации систем комбинированных магнитных подвесов кинетических накопителей энергии с учетом технологических возможностей и особенностей производства индустриального партнера.
  • Маркетинговые исследования.
  • Результаты исследования представлены на международных конференциях и симпозиумах в России, Швейцарии, Франции, Марокко, Болгарии. Опубликованы 6 статей в журналах и сборниках, индексируемых в Scopus.

 

Практическая значимость исследования
Научные и практические результаты исследования в виде методик, эскизной конструкторской документации и технологической инструкции для изготовления системы комбинированного магнитного подвеса в составе КНЭ предназначены для использования в профильных исследовательских и проектных институтах и производственных предприятиях, планирующих участвовать в производстве этой продукции. Результаты работы могут быть применены также для создания магнитных опор турбин, компрессоров, насосов, электрических машин с массивными роторами.
Результаты исследования дают возможность создавать новые виды комбинированных магнитных опор, усовершенствовать параметры существующих опор и расширить внедрение ВТСП технологий в промышленности. Конкурентные преимущества результатов составляют следующие факторы:
— возможность преодоления технических и технологических трудностей создания магнитных опор и подшипников КНЭ и крупных роторных машин и механизмов;
— повышение их надежности и ресурса;
— возможность обеспечения импортозамещения за счет отказа от приобретения оборудования зарубежного производства.

Создание методической базы позволит отечественной промышленности разработать новые оригинальные конструктивные решения магнитных подвесов и кинетических накопителей энергии без приобретения дорогостоящих патентов и лицензий, зарубежных прообразов и аналогов технических средств и технологий.
Внедрение ВТСП подвесов в подшипниковых узлах кинетических накопителей энергии в комплексе со статическими подшипниками на постоянных магнитах позволит достичь необходимых энергетических показателей этих устройств и более эффективно решать проблемы бесперебойного электроснабжения ответственных объектов и повысить надежность и экономичность функционирования электроэнергетического оборудования.