Технологии обеспечения функционирования систем высокой плотности энергии

Проект направлен на решение проблемы развития отечественной научно-технической и инженерной базы в области технологий обеспечения функционирования систем высокой плотности энергии. Системы высокой плотности энергии предполагают концентрацию энергии в малом объеме. Функционирование таких систем обеспечивается за счет целого ряда устройств и установок, среди которых, важное значение отводится установкам индукционного нагрева потока газа и источникам электропитания. По сравнению с классическими способами системы индукционного нагрева отличаются рядом важных преимуществ: происходит прямой нагрев объекта, что значительно повышает эффективность теплоотдачи; время нагрева существенно снижается; обеспечивается возможность регулирования процесса нагрева путем изменения частоты тока индуктора, что позволяет упростить конструкцию преобразовательной части системы индукционного нагрева. В установках, предназначенных для нагрева чистых газов, индукционные нагреватели позволяют уменьшить время ввода в работу за счет быстрого нагрева металлического объекта и системы стабилизации температуры за счет применения полупроводниковых преобразователей частоты. Разработка оригинальных решений в области систем индукционного нагрева чистых газов позволит перейти к созданию и совершенствованию комплексных решений на их основе, предназначенных для внедрения в металлургические производства и другие отрасли промышленности. В качестве источников электропитания для систем высокой плотности энергии применяются накопители электроэнергии на основе электрохимических аккумуляторных батарей. Кроме самих батарей основными компонентами накопителей являются зарядные и разрядные устройства, обеспечивающие требуемые параметры для питания импульсных нагрузок, система балансировки заряда, измерительные и защитные устройства. Ключевые требования к источникам электропитания импульсных нагрузок заключаются в достижении высоких показателей плотности мощности и энергии, а также обеспечении высокой скорости заряда накопителей. Разработки в данных направлениях могут быть адаптированы к различным объектам критически важной инфраструктуры (элементы АСУ ТП в нефтегазовой промышленности, центры обработки данных и т.д.) и будут способствовать развитию отрасли накопителей в России в целом. С учетом высоких темпов внедрения накопителей электроэнергии на основе электрохимических аккумуляторных батарей актуальными являются задачи по возможности их перепрофилирования после первичного использования. Цель научного исследования - разработка научно-технических решений, обеспечивающих функционирование основных узлов систем высокой плотности энергии: установок индукционного нагрева потока газов с высокой чувствительностью к полученному градиенту температур и источников электропитания импульсных нагрузок на основе электрохимических аккумуляторных батарей. Разработка и создание экспериментального образца системы индукционного нагрева потока инертного газа с наилучшими характеристиками по скорости нагрева газа и КПД. Исследование вариантов исполнения, алгоритмов балансировки и разработка рабочей конструкторской документации на опытный образец источника электропитания импульсных нагрузок с высокой скоростью заряда. Основными задачами в области технологий индукционного нагрева потока газов являются: 1. Описание и анализ принципов действия индукционного нагрева различных электропроводящих материалов и их комбинаций, разработка рекомендаций по эффективному применению данного метода для нагрева потока газов. 2. Разработка и изготовление научно-исследовательского (испытательного) стенда и проведение с его помощью исследований в области индукционного нагрева газов. 3. Разработка схемотехнических решений по созданию экспериментального образца системы индукционного нагрева потока газов, позволяющих реализовать функции нагрева, контроля, мониторинга и автоматизации работы. 4. Разработка алгоритмов управления работой экспериментального образца системы индукционного нагрева потока газов. 5. Разработка имитационных компьютерных моделей, исследование с их помощью характеристик основных узлов и отработка алгоритмов управления экспериментального образца системы индукционного нагрева потока газов. 6. Разработка программного обеспечения системы управления экспериментального образца системы индукционного нагрева потока газов. 7. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец системы индукционного нагрева потока газов в составе с устройством контроля, мониторинга и автоматизации. 8. Изготовление экспериментального образца системы индукционного нагрева потока газов и проведение его исследовательских испытаний на базе индустриального партнера – ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». Основными задачами в области технологий источников электропитания являются: 1. Анализ требований и особенностей электропитания систем высокой плотности энергии и объектов критически важной инфраструктуры. 2. Разработка алгоритмов балансировки аккумуляторных батарей в составе источников электропитания импульсных нагрузок на основе различных способов и критериев выравнивания заряда и исследования их эффективности. 3. Разработка вариантов исполнения опытного образца источника электропитания импульсных нагрузок и определение оптимального алгоритма балансировки аккумуляторных батарей в его составе для применения в системах высокой плотности энергии и системах электропитания объектов критически важной инфраструктуры. 4. Разработка рабочей конструкторской документации на опытный образец источника электропитания импульсных нагрузок (с учетом полученных в 2022-2024 гг. результатов по созданию и испытаниям экспериментального образца накопителя электроэнергии на основе литий-титанатных аккумуляторных батарей). 5. Исследование ресурса аккумуляторных батарей, применяемых в источниках электропитания импульсных нагрузок, и разработка рекомендаций по их возможному перепрофилированию и вторичному использованию. Разработанные научно-технические решения в области индукционного нагрева могут быть использованы при создании новых отечественных нагревателей индукционного типа, предназначенных для плавки электропроводящих материалов, их поверхностной и глубокой закалки, ковки, гибки, а также пайки электропроводящих материалов токами высокой частоты. Разработанные алгоритмы управления, обеспечивающие контроль и мониторинг нагреваемого материала, могут быть использованы в научных исследованиях по тематике индукционного нагрева материалов различного типа, а также в соответствующих отраслях промышленности. Разработанные научно-технические решения по созданию и применению источников электропитания импульсных нагрузок могут быть использованы при создании накопителей электроэнергии на основе различных типов литий-ионных аккумуляторных батарей, предназначенных для электропитания объектов критически важной инфраструктуры (например, для повышения надежности электропитания электроприемников нефтегазовой отрасли), а также интегрируемых в современные электротранспортные средства, сетевые накопители электроэнергии и др. Результаты исследования ресурса аккумуляторных батарей, применяемых в источниках электропитания импульсных нагрузок, и рекомендации по их возможному перепрофилированию могут быть масштабированы на другие отрасли, в которых в ближайшее время прогнозируется появление больших объемов отработавших аккумуляторных батарей (например, городской наземный электротранспорт).