Александр Устинов: лаборатория международного уровня в Сколтехе

Сколтех – это не только качественное образование, но и интеллектуальный центр с первоклассными лабораториями.Об одной из лабораторий рассказывает Александр Устинов, профессор Сколтеха, заместитель директора Исследовательского центра энергетических систем.

DSC_0167 устинов

Ниже – выдержки из интервью.

Лаборатория энергетических систем состоит из 2-х больших частей: электроэнергетической и тепловой.

Что касается электроэнергетических систем, то в нашей лаборатории мы строим установку “Mini Grid”. Это электрическая сеть в миниатюре. Она состоит из генерирующей и потребляющей частей.

Для генерации энергии на крыше нашего здания мы устанавливаем солнечные панели и ветряки.

Также для “Mini Grid” мы строим гидроаккумулирующую станцию. Бак с водой устанавливается на крыше, куда насос ночью будет закачивать воду. Ночью – потому, что ночной тариф дешевле, а операция эта энергетически очень затратная. В течение дня этот же насос, который может работать как турбина, будет вращать воду.

Вся сеть “Mini Grid” построена не по иерархической классической модели, когда есть станция и от станции тянутся магистральные сети до подстанций, а иметь матричную структуру. То есть любой элемент как потребителя, так и производителя энергии можно будет вставить в любую точку, в любой узел такой электроэнергетической системы.

DSC_0082 установка по водородной энергетике

Установка по водородной энергетике

Наша установка “Mini Grid” – довольно сложная. Панели и ветряк будут установлены на крыше, в помещении лаборатории – водородная установка и дизель-генератор, а внутри отдельного помещения – управляющие элементы и шкафы, потребляющие энергию.

Мы впервые сводим в одну сеть электрическую и тепловую энергии. Например, возле помещения с управляющими элементами будет находиться тепловой насос, чтобы откачивать тепло, произведенное внутри самой комнаты. Использовать это тепло планируется для горячего теплоснабжения и обогрева помещения лаборатории. Таким образом, мы тепловой насос интегрируем в две структуры – в экспериментальную установку и в структуру здания. Вот такой элемент невозможно пока найти нигде.

Получается, что наша установка “Mini Grid” будет производить электроэнергию, которую мы сами же и будем потреблять. Появится возможность экономить не только электрическую энергию, но и тепло. В составе нашей установки будут расположены и системы накопления энергии: литиево-ионные аккумуляторы и накопители энергии на супер-конденсаторах.

Это новое направление – в мире пока ведутся самые первые разработки. А в нашем центре будет представлена одна из первых установок в России и даже в мире, работающая по этой технологии.

Что касается тепловой части лаборатории, то здесь ситуация следующая. Во-первых, мы собираемся исследовать все процессы, которые существуют на энергетических станциях – кипение, конденсацию и процессы, которые происходят в теплообменных аппаратах.

Например, у нас есть установка для исследования процесса кипения. В бак, в котором находятся нагревательные элементы, подается жидкость. Через смотровые окна, расположенные на каждой из 4-х сторон, можно за ней наблюдать.

DSC_0031 установка для исследования процесса кипения​

Установка для исследования процесса кипения​

На такой установке исследуются процессы, которые происходят в парогенераторах больших станций. Более того она позволяет работать не только с такими классическими жидкостями, как вода, но и хладонами, низкокипящими жидкостями. В перспективе мы сможем создавать небольшие энергетические установки, которые можно размещать на производствах и на других станциях. Они будут использоваться для получения энергии из выхлопов, которые сейчас просто выбрасываются в атмосферу.

Также центр работает в направлении термоменеджмента устройств. Здесь речь идет об охлаждении электроники не за счет вентиляторов, прокачивающих воздух внутри, а за счет жидкостей, работающих в двухфазном режиме. Где-то, например, происходит процесс кипения с использованием низкокипящих жидкостей, а где-то стоит конденсатор, который конденсирует пар и возвращает его назад.

Недавно совместно с Центром предпринимательства и инноваций мы инициировали проект по охлаждению трансформаторов. Мы хотим создать трансформатор, который будет работать по принципу тепловой трубы. То есть в одном месте будет происходить процесс кипения, а другом месте – процесс конденсации. Используемые при этом жидкости являются очень хорошим изолятором и не горят, в отличие от масла. Это очень важное техническое условие для создания подземных подстанций – подобные трансформаторы смогут снизить опасность возгорания.

Какое оборудование представлено в лаборатории?

Мы конструируем и покупаем самое перспективное и новое оборудование.

DSC_9901 термостат, созданный по заказу в Германии; тепловой насос; установка для нанесения гидрофобных покрытий ​

Термостат, созданный по заказу в Германии; тепловой насос; установка для нанесения гидрофобных покрытий ​

Например, термостат, который представлен в нашей лаборатории, одно из таких устройств, создан по нашему заказу в Германии. С его помощью мы будем исследовать процессы теплообмена. Оборудование очень мощное и позволяет реализовывать огромный объем температур: от минус 40 до плюс 400 градусов.

Также мы собираемся исследовать процессы, происходящие в теплообменных аппаратах. На одной из наших установок мы будем исследовать воздухо-жидкостные теплообменники, а на другой – жидкостно-жидкостные. Мы хотим также создавать и исследовать теплообменники со значительной степенью снижения отложений.

Кроме того, в следующем году лаборатория будет сертифицирована. Это позволит производить сертификационные измерения и превратит нас в независимую площадку, где разные производители оборудования смогут сравнивать свои устройства.

DSC_9975  установка для нанесения гидрофобных покрытий

Установка для нанесения гидрофобных покрытий

Еще одно наше предложение – использовать CO2 в качестве рабочей жидкости теплового насоса. В мире уже существуют аналогичные системы, но они пока еще не отличаются высокой эффективностью. Я думаю, что наш центр сможет сказать свое веское слово в данном направлении. Для такого насоса мы уже разработали схему применения. Она включает 2 тепловые камеры: в одной будет холодно, в другой – тепло. Размер камер позволит размещать в них большие объекты. Например, телекоммуникационные шкафы. Получится, что Ростелеком, который должен обеспечить работу телекоммуникационного шкафа в разных температурных диапазонах, сможет тестировать свое оборудование у нас.

Мы также планируем вырабатывать предложения-рекомендации по увеличению КПД таких устройств. Это как раз то, что от лаборатории смогут получать коммерческие фирмы.

У нас также представлена установка для нанесения гидрофобных покрытий на различные теплообменные аппараты. Тонкое напыление, которое наносится на поверхность трубки или пластины, снижает отложения на поверхностях и повышает теплоотдачу.

Все установки в лаборатории не являются чем-то разрозненным, а выстроены во взаимодействующую цепочкуПоэтому наша лаборатория будет использоваться шире, чем просто исследовательский центр Сколтеха. К ней сейчас проявляет большой интерес и Технопарк Сколково. Реплицировать такую же лабораторию в Инновационном центре Сколково экономически очень невыгодно, и мы, скорее всего, будем сертифицироваться как центр коллективного пользования. То есть любой сколковский стартап сможет обратиться в лабораторию и получить сертификат. Также мы планируем оказывать консультационные услуги по использованию и улучшению оборудования.

Лаборатория занимается разработкой альтернативных источников энергии. Почему Вы считаете, что их использование в России эффективно?

Мало того, что использование альтернативных источников энергии эффективно, так оно уже и внедряется в России. И мы в этом активно участвуем. Совместно с компанией «РАО Энергетические системы Востока» мы работаем над программами по созданию солнечных и ветряных станций на Дальнем Востоке и в Якутии.

В России огромное количество изолированных поселков, где живет по несколько сотен человек. Вокруг таких поселков ничего нет, и вряд ли кто-то туда дотянет линию электропередач. Соответственно возникают автономные энергетические системы с использованием ветряков и солнечных панелей. Такие реализованные проекты уже есть в России. В масштабах всей страны это огромная экономия по сравнению с завозом дизеля в отдаленные районы.

Что будет основным результатом работы лаборатории?

Во-первых, архитектура сети будущего, то есть установка “Mini Grid”. Это своего рода конструктор лего, из которого потом мы сможем выбрать необходимые компоненты для конкретного места.

Во-вторых, мы получим аппараты нового поколения с более высокой эффективностью. Теплообменники, испарители, конденсаторы, водородные установки. Они будут работать в составе более сложных устройств, например, станций.

В-третьих, новые технологии. Например, технология напыления. С ее помощью можно будет продлить время и эффективность работы оборудования или устройства.

И, конечно же, дипломированные специалисты – наши студенты, выпускники Сколтеха. Именно они с новыми теоретическими и практическими знаниями работы на оборудовании смогут прийти в индустрию и продвинуть что-то серьезное.

Ваш круг обязанностей и интересов в Сколтехе?

В мою компетенцию входит создание лаборатории. Я полностью разрабатывал её концепт, подбирал кадры, в частности инженеров. Конструктив всех установок также полностью наш. В лаборатории работают конструктор, инженер по электрике, специалист по технике безопасности, по безопасности труда, по пожарной безопасности, по регламентированию работ. Мы сами создали все чертежи, сами нашли российских поставщиков, которые произвели для нас отдельные компоненты. Термостат, единственное оборудование, привезенное из Германии, также создан по нашей спецификации.

DSC_0022 заставка 2

Помимо этого, я занимаюсь партнерскими программами с индустрией. Мы уже выполняем проекты, ищем новые, ведем переговоры с компаниями. Нас привлекают не только как исполнителей научно-исследовательских или конструкторских задач, но и для написания программ инновационного развития. Программы инновационного развития определяют работу компаний на 5 лет. И наш центр стоит у истоков этого процесса.

Еще я занимаюсь партнерскими программами с российскими университетами. Мы сотрудничаем с Московским энергетическим институтом, с Институтом высоких температур РАН, со Всероссийским электротехническим институтом, с Иркутским институтом энергетических систем им. Мелентьева, с Новосибирским государственным университетом и другими вузами.

И, наконец, я собираюсь преподавать в Сколтехе. Буду, скорее всего, вести 2 предмета. Один предмет называется «Энергетические станции и методы преобразования энергии». Это общий предмет, прежде всего, для студентов с непрофильным образованием (специалистов по электронике или информационным технологиям), которых нужно ввести в курс дела.

DSC_0127 устинов

Второй предмет более специфический. Он предназначен для студентов с определенным багажом знаний и называется «Применение вычислительной гидрогазодинамики в энергетике и производственных процессах». Здесь речь идет о том, что с помощью компьютера можно смоделировать различные процессы в энергетике. То есть, просчитать течение жидкостей и газов в неких трубах, например, в теплообменных аппаратах.

Идеальный выпускник, представляющий интерес для индустрии, по-моему, должен обладать 3-мя навыками: умение применять вычислительную гидрогазодинамику, разбираться в методах произведения прочностных расчетов и использовать конструкторские знания. Как раз то, чему наши студенты смогут научиться в лаборатории энергетических систем.

В ближайшее время мы хотим провести официальное открытие лаборатории. На него будут приглашены представители российской энергетической индустрии, а также ведущие мировые ученые. Последние расскажут о новейших тенденциях в области энергетики.

Среди наших главных задач – привлечение лучших западных компетенций, которых пока нет в России, и налаживание связей с индустрией.

И мы уже начали решение этих задач.

                                               Подготовила: Шиманская Анна

Фото: Sk.ru

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK