Материалы нового поколения для инновационного развития автономно изолированных систем арктической электроэнергетики

Выполнен анализ различных конструкций и параметров электрических машин с поперечным потоком. Наилучшие показатели имеет машина с продольным аксиальным потоком на основе авторского патента. Рациональное исполнение электрической машины с поперечным потоком для децентрализованной энергетики, обладающей высоким значением коэффициента мощности, также защищено патентом РФ. Численным расчетом электромагнитного поля выполнено исследование потоков рассеяния машины с поперечным потоком. Показано принципиальное различие потока рассеяния полюса ротора в машинах с поперечным и продольным потоками. Выбраны методы расчета внешних магнитных проводимостей, дающие близкое совпадение с результатами численного расчета. По разработанной методике выполнены сравнительные расчеты параметров машины с поперечным потоком двух топологий при концентрации магнитного потока. На основе сравнительных расчетов по оригинальной методике показаны преимущества по всем параметрам топологии с намагничиванием по длине магнита, равенстве длины магнита и ширине обмотки с расположением зубца статора по радиусу ротора. Разработана программа расчета на ЭВМ, производится ее регистрация. В заявке на изобретение предложена топология электрической машины с поперечным потоком с двойным статором, расположенным с одной стороны ротора, которая по плотности вращающего момента превосходит показатели машины с продольным потоком, причем при любой рассчитанной длине магнитов в 1,23-1,7 раза. Определены параметры синхронных генераторов различной полюсности с возбуждением от постоянных магнитов с концентрацией магнитного потока и с сосредоточенными обмотками мощностью 800 КВт, которые предназначены для использования в комплекте с одноступенчатой коробкой передач в арктических районах России. Разработана оригинальная схема беспилотной автономной электроэнергетической установки для подводного аппарата с твердотельными топливными элементами. Разработана схема функционирования криогенного униполярного двигателя, являющегося приводом гребного винта подводного аппарата. Потери двигателя используются для нагревания жидкого азота до рабочей температуры. Выполнены расчеты электромагнитных полей варианта униполярного двигателя, обмотка которого получает питание от твердотельных топливных элементов. Показана эффективность многослойного ферромагнитного экрана из ленточных металлических стекол для защиты внешнего пространства двигателя от электромагнитных полей. Выполнены разработка и исследование каталитических и электролитных (гибридных и керамических) материалов для низкотемпературного и среднетемпературного топливных элементов. На основе полученных биметаллических наночастиц (Cu)Pd и (Ag)Pd разработаны каталитические электродные материалы для применения в ТПТЭ. Установлено, что электродный материал на основе биметаллических наночастиц (Cu)Pd обладает наибольшей электрохимической и каталитической активностью среди устойчивых к разрушению электродов, а также наибольшей устойчивостью к деградации в процессе многократного циклирования. Планируется апробировать материал в мембранно-электродном блоке водородно-воздушного ТПТЭ в качестве анодного и катодного каталитического материала, а также в микробиологическом топливном элементе (МТЭ) в качестве катодного каталитического материала. Исследованы ионопроводящие гибридные мембраны ПВС/АСК/ФУР/ТЭОС с различным соотношением функциональных компонентов (АСК, ФУР и ТЭОС) и способом отверждения мембранного материала. Выявлено, что физико-химические и электрофизические свойства таких мембран в основном зависят от соотношения функциональных компонентов. Получены новые гибридные мембраны на основе ПВС, допированного производной аминосульфоновой кислоты – 1-амино-2-нафтол-4-сульфокислотой (Нафтол). Разработан безводный синтез наночастиц диоксида церия для оценки влияния на физико-химические и электрофизические свойства ионопроводящих мембран гибридных на основе модифицированного ПВС/СеО2э. С помощью современных физических методов исследования определен состав и морфология полученных наночастиц. Показаны возможности использования спектроскопии ЯМР как для структурного анализа системы ПВС + ТЭОС, так и для количественных измерений соотношения компонент этой смеси в большом временном интервале с достаточно высокой точностью таких оценок. С помощью метода ЯМР спектроскопии была проведена полная идентификация всех присутствующих в протонном спектре сигналов системы ПВС + ТЭОС. Методом совместного осаждения гидроксидов с низкотемпературной обработкой и методом совместной кристаллизации синтезированы высокодисперсные порошки со средним размером кристаллитов ~14 нм, в системах CeO2–Nd(Dy)2O3. Путем консолидации синтезированных порошков-прекурсоров получена керамика, обладающая кубической структурой типа флюорита. Обнаружено, что в твердых растворах в системах CeO2–Nd(Dy)2O3 электропроводность осуществляется по вакансионному механизму, в интервале температур (300–700)°C преобладает ионная проводимость. Проведены сравнительные исследования пористости и плотности керамических образцов, спеченных с добавлением и без добавления спекающих добавок SiO2, ZrO2 и ZnO. Обнаружено, что образцы, синтезированные методом совместной кристаллизации, обладают менее развитой пористой структурой, чем образцы, синтезированные другими методами. Однако плотность керамики, полученной разными методами, имеет близкие значения. Показано, что наилучшими характеристиками обладает образец состава (СeO2)0,85(Nd2O3)0,15 с добавлением спекающей добавки ZnO, а также образцы с содержанием 15 мас.% Nd(Dy)2O3 со спекающими добавками.