textarchive.ru

Главная > Документ


Проект I.28. «Высокоэффективные RGB источники белого света для систем освещения нового поколения»

1. Суть проблемы. Современные технологии освещения относятся к одним из наиболее энергозатратных отраслей, потребляя ~20% вырабатываемой в мире электроэнергии (отметим, что кпд ламп накаливания ~5%, а люминесцентных - ~30%). В последние годы развитие технологии полупроводниковых светодиодов позволило получить источники света с кпд на уровне 50-60%. Однако используемый в них принцип люминофорного преобразования излучения ограничивает дальнейшие возможности роста эффективности вследствие «стоксовых» потерь. Достижение более высокого кпд возможно при переходе к безлюминофорным технологиям, а именно, принципу RGB-смешения излучения различных цветов, генерируемого в полупроводниковом кристалле. Создание высокоэффективных и мощных RGB-светодиодов наталкивается в настоящее время на два главных препятствия:

- низкие значения квантового выхода для структур, излучающих в глубокой зеленой области спектра 540-570нм;

- быстрое падение квантового выхода излучения с ростом тока, ограничивающее эффективность светодиодов в области рабочих режимов.

2. Состояние проблемы в мире и в России. Решение указанных выше проблем является предметом интенсивных исследований (и острой конкурентной борьбы) крупных компаний: Philips-Lumileds, Osram, Cree, Nichia, General Electric и др., а также университетских и исследовательских центров, Sandia National Lab, University of California, Santa Barbara, Rensselaer Polytechnic Institute и др. В России основные работы в данной области ведутся в НТЦ Микроэлектроники РАН совместно с ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и С-Пб академическим университетом – научно-образовательным центром нанотехнологий РАН. Вопрос о путях преодоления указанных выше проблем остается открытым.

3. Краткое описание предлагаемой технологии. Ключевой задачей для RGB источников белого света является создание активных областей светодиодов с широким диапазоном излучения 450-620 нм. По своим параметрам твердый раствор InGaN способен с запасом перекрыть весь видимый диапазон излучения. Однако, параметры кристаллической решетки InN и GaN не совпадают, что накладывает ограничения на состав и толщину синтезируемого InGaN.

В данном проекте для создания активных областей с диапазоном излучения 450-620 нм будет использован подход, основанный на формировании квантовых точек InGaN при спонтанной трансформации напряженного слоя InGaN, осажденного на поверхность GaN. Предлагаемый подход позволяет создать локальные квантовые точки InGaN с высоким составом по In, сохраняя при этом достаточно низкий средний состав по In и подавляя транспорт носителей к областям дефектов, что значительно повышает эффективность излучения. На основе разработанных технологий будет создано новое поколение источников белого света – монолитные светодиоды, содержащие несколько активных областей, излучающих в различных диапазонах спектра. Исследования будут выполнены с использованием методов газофазной эпитаксии из металлорганических соединений и молекулярно-пучковой эпитаксии, которые в настоящее время являются основными промышленными методами получения эпитаксиальных структур.

4. Текущее состояние разработки (что уже создано и что требуется для завершения). НТЦ Микроэлектроники РАН была первой организацией в России, начавшей в 1997 г. исследования по разработке технологии эпитаксиального роста соединений на основе нитрида галлия. За прошедшее время была разработана технология роста InGaN квантовых точек и светодиодных структур с активной областью на их основе, излучающих в диапазоне 380-530 нм с внешней квантовой эффективностью более 30%. Проведены предварительные исследования монолитных дихромных (имеющих две полосы излучения в синей и желто-зеленой областях спектра) белых светодиодов. Для завершения разработки необходимо проведение исследований по синтезу InGaN квантовых точек с диапазоном излучения во всем оптическом диапазоне 450-620 нм и технологии создания активной области монолитных белых светодиодов, содержащих несколько слоев квантовых точек с различной длиной волны излучения.

5. Ожидаемый эффект (научный, экономический, социальный и др.). Будут разработаны новые способы синтеза наноструктур InGaN, излучающих в видимом диапазоне, выявлены возможности эффективного управления процессами формированием когерентных наноструктур, и выяснены физические механизмы, ответственные за высокий квантовый выход.

Будет получено новое знание об оптических и электронных свойствах наноструктур InGaN, которые на данный момент являются предметом интенсивных исследований в мировом научном сообществе.

Разрабатываемые на этой основе RGB источники белого света обеспечат не менее, чем двукратное снижение энергопотребления по сравнению с лучшими на сегодняшний день компактными люминесцентными лампами, а также позволят перейти к качественно новому поколению интеллектуальных источников света, регулируемых в зависимости от времени суток (как естественный свет), индивидуальных особенностей, вида деятельности, возраста, психофизиологического состояния человека и т.д.

В результате выполнения проекта будут созданы объекты интеллектуальной собственности (патенты, ноу-хау), обеспечивающие приоритет России в данной области и конкурентоспособность на мировых рынках. Для подготовки будущего кадрового потенциала к выполнению работ будут привлечены студенты и аспиранты.

6. Состав организаций-исполнителей. Головной исполнитель – НТЦ микроэлектроники РАН. Соисполнители - ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, С-Пб академический университет – научно-образовательный центр нанотехнологий РАН. Кроме того, работы будут проводиться совместно с промышленными предприятиями, обладающими полным производственным циклом изготовления светодиодов, включая рост эпитаксиальных структур, и на которых планируется внедрение разрабатываемых технологий: ООО «Опто-Ган» и ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника».

7. Сроки реализации - 2010-2014 гг.

8. Ориентировочная стоимость работ - 750.0 млн. руб.

Проект I.29. «Интеллектуальная силовая электроника»

Планируемый переход экономики России на инновационный путь развития требует как важнейшего элемента организацию производства систем интеллектуальной силовой электроники (ИСЭ). Под интеллектуальной силовой электроникой понимается отрасль науки и техники, решающая задачу преобразования качественных и количественных характеристик электрической энергии от единиц ватт до десятков и сотен мегаватт с целью:

  • генерации и передачи электрической энергии с минимальными потерями,

  • автоматизации управления техническими объектами,

  • минимизации энерго- и ресурсозатрат в технических системах различного назначения,

  • создания принципиально новых технологий, включая добычу, транспортировку и переработку полезных ископаемых,

  • повышения экономичности транспортных систем различного назначения и реализации принципиально новых концепций построения систем движения,

  • создания новых систем безопасности и новых видов вооружения, включая решение задачи повышения тактико-технических характеристик традиционных систем вооружения,

  • создания новых информационных систем и систем теле- и радио коммуникаций,

  • создания медицинских систем профилактики, диагностики и лечения,

  • применения в быту для качественного изменения уровня жизни.

В последние десятилетия ИСЭ является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей промышленности в развитых странах. Темпы прироста объемов производства в данной отрасли не были ниже 12%.

Объемы рынков продажи систем и устройств силовой электроники неуклонно растут. Новые разработки в этой области пользуются расширенным спросом, так как срок окупаемости порожденных этими устройствами высокоэффективных технологий составляет 23 года.

Силовая электроника для энергетики. В настоящее время большинство индустриально развитых стран связывает долгосрочный устойчивый рост экономики, прежде всего, с переходом на инновационный путь развития.

Инновационный характер развития энергетики РФ в значительной части определяется последними достижениями в электротехнике и силовой электронике.

Системы силовой электроники и электротехники широко используются на всех этапах генерирования, передачи и использования электроэнергии. Объём мирового рынка приборов и систем силовой электроники составляет более 80 миллиардов долларов США в год. Объём мирового рынка силовой электроники и электротехники превышает 500 миллиардов долларов США в год. Наиболее крупным потребителем систем силовой электроники и электротехники является электроэнергетика.

В настоящее время в США, Японии и Европе более 60% вырабатываемой электроэнергии проходит через полупроводниковые преобразователи силовой электроники, в то время как в РФ эта цифра составляет 30%. Простые оценки показывают, что повышение этой цифры до мирового уровня позволит сэкономить около 15% энергии, что сопоставимо с вкладом атомной или гидроэнергетики.

Потери на собственные нужды на отечественных электростанциях доходят до 15% генерируемой электрической энергии. Внедрение систем и устройств силовой электроники позволит уменьшить их более, чем в два раза.

В РФ производится и потребляется до 6% общемирового объёма электроэнергии, при этом производится только 2,5% от общемирового валового продукта. Основной причиной тому – низкая производительность труда и высокие энергетические затраты в российской экономике. Основой экономики высокоразвитых стран в настоящее время является автоматизированное производство с использованием техники и технологии высокого уровня.

Устройства и системы силовой электроники для энергетики.

  1. Системы тиристорного самовозбуждения для мощных турбо- и гидрогенераторов.

  2. Преобразователи частоты для регулируемого электропривода. Это приводы тягодутьевых механизмов, мощность которых колеблется от 700 до 6000 кВт; приводы питательных насосов, мощность которых колеблется от 400 до 4000 кВт; приводы конвейеров топливоподачи мощностью 110-630 кВт; приводы ленточных питателей мощностью 10-30 кВт; приводы насосов питателей и т.д.

Замена нерегулируемых приводов регулируемыми с широким диапазоном регулирования позволяет:

  • улучшить условия эксплуатации котлоагрегатов;

  • снизить удельный расход топлива;

  • получить экономию электроэнергии;

  • улучшить экологическую обстановку прилегающего к теплоэлектростанции района.

  1. Преобразователи частоты для статических компенсаторов мощности и гибких линий электропередачи. Повышает устойчивость и надежность работы энергетических систем, резко уменьшает вероятность аварийных ситуаций.

  2. Высоковольтные ограничители напряжения для защиты электротехнического оборудования.

  3. Мощные разрядные полупроводниковые резисторы.

  4. Зарядно-выпрямительные устройства.

  5. Интеллектуальные бесконтактные выключатели.

  6. Мощные выпрямители и инверторы для вставок постоянного тока и ЛЭП постоянного тока.

  7. Преобразователи частоты для мини ГЭС, ветроэнергетических станций и солнечной энергетики.

  8. Мощные пусковые устройства для синхронных генераторов.

Обоснование энерго- и ресурсосберегающего эффекта от применения устройств силовой электроники в энергетике.

Системы тиристорного самовозбуждения (СТС) для мощных турбо- и гидрогенераторов. Современные системы тиристорного самовозбуждения используют искусственный интеллект при управлении генератором (нейронные контроллеры, нечеткую логику …). Это позволяет, прежде всего, увеличить быстродействие систем, повысить надежность функционирования энергетических систем, снизить эксплуатационные расходы, т.к. в системе заложен встроенный автоматический контроль и прогнозирование технического состояния. Применение таких СТС позволит исключить множество аварийных ситуаций в энергетических сетях.

Преобразователи частоты для регулируемого электропривода (частотно-регулируемый электропривод). На электростанциях это: приводы тягодутьевых механизмов; приводы питательных насосов; приводы конвейеров; приводы ленточных питателей; приводы насосов питателей и т.д. Высокую эффективность внедрения частотно-регулируемого электропривода можно проиллюстрировать на примере использования его в насосных, вентиляторных, нагнетательных установках. Электроприводы указанного класса механизмов потребляют не менее 20-25% всей вырабатываемой электроэнергии и в большинстве случаев остаются нерегулируемыми, что не позволяет получить режим рационального энергопотребления и расхода воды, пара, воздуха и т. д. при изменении технологических потребностей в широких пределах. Регулирование производительности с помощью задвижек является крайне неэкономичным способом. Значительное снижение момента нагрузки при снижении скорости вращения приводного двигателя, характерное для рассматриваемых механизмов, обеспечивает существенную экономию электроэнергии (до 50%) при использовании регулируемого электропривода и позволяет создать принципиально новую технологию транспортировки воды, воздуха и т. д. с эффективным регулированием производительности агрегата. Кроме того, поддержание в системе минимально необходимого давления приводит к существенному уменьшению непроизводительного расхода транспортируемого продукта, снижению аварийности и увеличению срока службы гидравлических и пневматических сетей. Опыт применения частотно-регулируемых электроприводов в водоснабжении показывает, что можно сэкономить до 25% воды, что также дает значительную экономию эксплуатационных затрат. Невысокие требования к качеству регулирования давления обуславливают возможность применения относительно недорогих преобразователей частоты с так называемым скалярным управлением, которые наиболее просты в проектировании, наладке, эксплуатации. Положительным моментом является также то, что преобразователь частоты может быть легко внедрен в уже существующую установку без какой-либо реконструкции системы в целом. Сочетание высокой экономичности регулирования и относительно малой стоимости оборудования обеспечивает сравнительно низкий срок его окупаемости (от нескольких месяцев). Измерения, проведенные на городских насосных установках, например, в гг. Новосибирске и Екатеринбурге до установки нового оборудования и после, подтвердили экономию электроэнергии 40-50% и экономию воды до 25%. Срок окупаемости работ составил 6-8 месяцев.

Другой актуальной областью внедрения энергосберегающих электроприводов являются подъемно-транспортные механизмы. Большинство существующих механизмов данного класса (краны, лифты) имеют контакторную схему управления при регулировании скорости путем переключения ступеней сопротивления в цепи ротора асинхронного двигателя либо использовании двухскоростных двигателей. Используемое для изменения скорости реостатное регулирование отличается крайне низкой энергетической эффективностью и сопровождается значительными потерями. Перевод на частотное регулирование дает следующие преимущества:

  • обеспечивается плавное регулирование скорости при существенном снижении энергопотребления;

  • повышается точность и качество регулирования скорости;

  • плавность пуска и торможения, отсутствие резких толчков увеличивают срок службы всех механических элементов подъемно-транспортных устройств, повышают комфортность управления и обеспечивают сохранность груза;

  • асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором дешевле и надежнее двигателей с фазным ротором и двухскоростных двигателей.

Говоря об энергосбережении средствами регулируемого электропривода, следует отметить, что многие современные преобразователи частоты содержат в себе функции так называемого энергосберегающего управления, которое заключается в более гибком управлении напряжением двигателя при изменении нагрузки, что позволяет в некоторых режимах дополнительно сэкономить до 30% потребляемой электроэнергии за счет снижения потерь в двигателе. Режим энергосбережения особенно актуален для механизмов, которые часть времени работают с пониженной нагрузкой.

Статические компенсаторы реактивной мощности (СТАТКОМ). Современные СТАТКОМы решают вопросы регулирования напряжения, повышения пропускной способности линий электропередачи, ограничения коммутационных перенапряжений, гашения дуги в паузе ОАПВ, симметрирования напряжений, снижения потерь электроэнергии и средства для решения этих задач, а также статические компенсирующие устройства для сетей электроснабжения промышленных предприятий.

Силовые активные фильтры. Силовые активные фильтры позволяют компенсировать высокочастотные составляющие в потребляемом токе.

В Новосибирской области на протяжении семи лет успешно выполняется региональная межотраслевая программа «Силовая электроника Сибири». Основываясь на её результатах можно сделать следующие выводы и предложения.

1. По сравнению с развитыми странами в РФ низкий уровень использования систем ИСЭ, в настоящее время не более 20-25% генерируемой электрической энергии используется с применением систем ИСЭ, в то время как в ведущих экономиках мира эта цифра достигает 75-85%. Именно этот показатель делает энергоемким наш валовой национальный продукт. Переход от сырьевой ориентации российской экономики к инновационной с необходимостью требует совершенствования всего электрохозяйства страны и, в частности, широкого использования систем ИСЭ.

2. В России практически отсутствует современное станкостроение, в управлении исполнительными механизмами современных станков, гибких линий, роботов лежат системы ИСЭ. Поэтому отсутствие таких систем является основой низкого уровня автоматизации российских предприятий.

3. Используемые в РФ системы ИСЭ являются, как правило, импортными, или выполнены на импортных комплектующих.

4. В стране существует очень емкий потенциальный рынок для систем интеллектуальной силовой электроники и электротехники. Приведем лишь некоторые цифры, характеризующие рынок, который может быть освоен предприятиями Сибирского региона.

5. Для обеспечения рынка отечественными системами интеллектуальной силовой электроники и электротехники предлагается в Новосибирской области создать в качестве пилотного проекта промышленный парк «Силовая электроника и электротехника».

  • На предприятиях промышленного парка должны быть реализованы следующие производства (образуют замкнутый технологический цикл):

- поликристаллического и монокристаллического кремния специальных сортов;

- дискретных приборов силовой электроники (IGBT и MOSFET модулей, полевых тиристоров специального назначения);

- специализированных интегральных схем для силовой электроники и электротехники (драйверов, ШИМ-контроллеров и др.)

- систем силовой электроники различной мощности (от 10кВт до 10МВт)

- интеллектуальных электротехнических устройств (с напряжениями до 10кВ).

6. Суммарная стоимость проекта по созданию промышленного парка не менее 200400 млрд. руб.

Проект I.30. «Применение в электрических сетях систем аккумулирования обладающих большой энергоёмкостью (САБЭ)»

1. Народнохозяйственная проблема

В настоящее время в ЕЭС России продолжают оставаться напряженными режимы ее работы, сохраняется достаточно сложная топливная проблема, возрастают трудности управления энергосистемами в связи с большой долей недостаточно маневренных крупных энергоблоков тепловых электростанций. Высокие требования, предъявляемые к электроэнергетике предопределяют радикальную перестройку электроэнергетики, как принципов ее построения и управления, так и требуемого оборудования, т.е. объективно необходимы качественные изменения в технике производства и распределения электроэнергии. Необходимость экономии топлива предъявляет высокие требования к экономичности режимов.

В настоящее время формирование мощных электроэнергетических систем характеризуется повышением доли блоков, работающих в базе суточных графиков нагрузки. В определенной мере этому способствует существующая практика обновления генерирующих мощностей, при которой на станциях последовательно демонтиру­ются маневренные агрегаты мощностью 50ч200 МВт. В результате, при нагрузках, составляющих 50% от номинальной, расход топлива увеличивается на 16-26 г/кВтчас. Статистический анализ работы объединенных энергосистем показывает, что, наряду с повышением надежности энергоснабжения и снижением затрат на резервирова­ние, уплотнения суточных графиков нагрузки не наблюдается. Объективный учет тенденций в развитии топливно-энергетического комплекса также говорит о том, что в ближайшие 30-40 лет ос­новными производителями электроэнергии останутся тепловые электростанции, стоимость топлива будет возрастать, а межсис­темные связи еще на долгие годы будут отнесены к разряду "сла­бых связей". Вследствие этого, включение в электроэнергетичес­кую систему накопителей, позволяющих разделить во времени про­цессы выработки и потребления энергии (при условии их высокого КПД), имеет большое народнохозяйственное значение

Применение САБЭ на объектах ОАО «ФСК ЕЭС» эффективно для резервирования электроснабжения, для ограничения максимума токовых нагрузок в загруженных линиях электропередачи и обеспечения требуемого качества электроэнергии при сбросах и набросах нагрузки. Существенный эффект может быть получен при применение САБЭ в системах тягового электроснабжения (РЖД) и на объектах нефтегазовой промышленности.

В настоящее время емкостные накопители (аккумуляторы и емкостные батареи), маховиковые накопители, сверхпроводниковые накопители энергии и гидроаккумулирующие электростанции имеют свои области применения.

Цель проекта. Разработка, создание и практическое применение в ЕНЭС России систем аккумулирования обладающих большой энергоёмкостью (САБЭ).

Реализация предлагаемого проекта позволит обеспечить: повышение энергоэффективности, надежности, устойчивости и экономичности электроэнергетических систем.

2. Энергоэффективность и энергобезопасность.

Аккумулирование энергии позволит увеличить мощность и время работы базовых электростанций, улучшив тем самым технико-эко­номические показатели крупных энергоблоков благодаря сущест­венному уменьшению эксплуатационных расходов, уплотнить график нагрузки и компенсировать ее пиковые изменения. Кроме того, накопители могут существенно повысить устойчивость крупной станции при обеспечении баланса мощности электроэнергетической системы. Включение накопителя в энергосистему в качестве са­мостоятельной структурной единицы является объективной необхо­димостью и на ближайшую перспективу нет альтернативных решений для мощных ТЭС и АЭС с накопителями энергии, можно ожидать, что более 10% всей вырабатываемой энергии, прежде чем попасть к потребителю, будут проходить через системы накопите­лей.

Применение в электрических сетях систем аккумулирования обладающих большой энергоёмкостью является перспективной технологией, которая может найти широкое применение в электроэнергетических системах и электрических сетях России, обеспечивая повышение энергоэффективности, надежности, устойчивости и экономичности.

3.Существующий задел.

В России разработан маховиковой накопитель энергии на основе асинхронизированных машин мощностью 200Мвт ,масса маховика 300т ,диапазон изменения частоты вращения 900-600об/мин .

Разработаны суперконденсаторы нового поколения.

Разработаны современные схемы связи накопителей с электроэнергетической системой ,обеспечивающих независимое регулирование активной и реактивной мощностей.

Сверхпроводниковые накопители энергии запасают энергию в магнитном поле индукционной катушки, ток в которой циркулирует без потерь. Важнейшим преимуществом такого накопителя является его быстродействие (единицы миллисекунд), что позволяет реагировать на самые внезапные аварии в энергосистемах. Обмотки магнитных систем выполняются из низкотемпературных сверхпроводников.

В Российской Федерации накоплен большой опыт по созданию сверхпроводниковых накопителей энергии с запасенной энергией от 15 МДж до 100 МДж. Имеется производственная база для создания таких накопителей и получения сверхпроводника.

Имеющийся опыт разработок позволяет в настоящее время создать систем ы аккумулирования обладающих большой энергоёмкостью (САБЭ) электроэнергетического назначения.

4. Предложения по массовому производству.
На первом этапе выполняется технико-экономическое обоснование применения систем аккумулирования обладающих большой энергоёмкостью (САБЭ) и выбор первоочередных объектов их применения. Необходимо определить технико-экономические показателей и стоимости САБЭ.

Стоимость этапа 60 млн. руб.

На втором этапе принимается решение о типе системы аккумулирования обладающей большой энергоёмкостью.

Создание опытно-промышленного образца потребует привлечение специалистов ОИВТ РАН, ОАО «НТЦ Электроэнергетики», ФГУП «ВЭИ», ОАО «Криогенмаш», ОАО «Энергосетьпроект», ОАО «ВНИИКП», ОАО «Электромеханика», ФГУП «ТУ МЭИ».

Срок изготовления опытно-промышленного образца – 2,5 года.

На основе испытаний опытно-промышленного образца возможен серийный выпуск таких систем, общий рынок которых в России может прогнозироваться в объеме 25-35 млрд.руб. в течение 2010-2020 годов.

Такой рынок сбыта ожидается в странах СНГ и Азии.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (3)

    Документ
    ... отождествляющие себя с полученными дляучастия в спектакле формами-скафандрами ... направление полёта, не создавая пилотам перегрузок. Мир стоит на пороге таких технологических ... ” РоссийскойАкадемииНаук. Проект Федеральный закон российской федерации ...
  2. Российской академии наук промышленная политика

    Документ
    ... РОССИЙСКОЙАКАДЕМИИНАУК ИНСТИТУТ ЕВРОПЫ РАН ПРОМЫШЛЕННАЯ ПОЛИТИКА ЕВРОПЕЙСКИХ СТРАН МОСКВА 2010 Учреждение Российскойакадемиинаук ... направлениятехнологической ... средств дляреализациипроекта. Кроме ... дляучастия в финансировании интересных проектов, ...
  3. Российской академии наук великобритания перед

    Документ
    ... Российскойакадемиинаук ... технологическим ... дляреализации исследовательских проектов, открытие фонда поддержки специалистов для исследования ключевых аспектов российско ... дляучастия в мероприятиях в области культуры, образования и искусства; проекты ...
  4. Российской академии наук великобритания перед

    Документ
    ... Российскойакадемиинаук ... технологическим ... дляреализации исследовательских проектов, открытие фонда поддержки специалистов для исследования ключевых аспектов российско ... дляучастия в мероприятиях в области культуры, образования и искусства; проекты ...
  5. Отчетный доклад президиума российской академии наук

    Автореферат диссертации
    ... высокий уровень российскойнауки в этой сфере составляет основу дляучастия в международных проектах по созданию уникальных ...

Другие похожие документы..