книги из ГПНТБ / Коровин, Н. В. Электрохимические генераторы

Т а б л и ц а 19

Сравнение различных' методов преобразования энергии

гип, получаемой в ЭХГ. Стоимость энергии, получаемой в серебряно-цинковых аккумуляторах, выше или соизме­ рима со стоимостью энергии, получаемой в ЭХГ.

Большой интерес представляет комбинированный источник тока, состоящий из ЭХГ и батареи аккумуля­ торов. В таком источнике сочетаются достоинства ЭХГ— высокая удельная энергия и достоинства аккумулято­ ров— высокая удельная мощность. Применение комби­ нированного источника тока целесообразно, когда гра­ фики нагрузки имеют кратковременные пики.

Сравнение электрохимического метода преобразова­ ния энергии с другими методами приведено в табл. 19, составленной путем обработки данных [Л. 21]. Как вид­ но, удельные мощности, стоимость и срок службы ЭХГ имеют один порядок с показателями термо-ионных н тер­ мо-электрических генераторов, но к. и. д. ЭХГ в несколь­ ко раз выше к. и. д. термо-ионных и термо-электриче­ ских генераторов. Удельная мощность и срок службы фото-вольта выше, но к. п.д. значительно ниже, чем у ЭХГ. Однако основным недостатком фото-вольта является его высокая стоимость. Почти по всем показателям МГД превосходит ЭХГ, но пока имеет очень малый срок служ­ бы. Кроме того, .МГД можно применять лишь для уста­ новок большой мощности. Тепловые машины и двига­ тели внутреннего сгорания имеют более высокую удель­ ную мощность, более низкую стоимость. Однако к. и. д. ЭХГ значительно выше. Кроме того, ЭХГ бесшумны и, как правило, безвредны. К достоинствам ЭХГ следует отнести также простоту эксплуатации п надежность. Благодаря блочному способу конструирования можнособирать батареи ТЭ различной мощности и выходного напряжения.

37. Электрохимические генераторы космического назначения

Космические исследования проводятся с помощью искусственных спутников земли, автоматических меж­ планетных станций и пилотируемых космических кораб­ лей и научных станций. В зависимости от мощности, сро­ ка работы и графика нагрузки кораблей и станций на них используются различные энергетические установки.. К энергетическим установкам для космических исследо­ ваний предъявляются специальные требования: высокая

174

надежность, высокие значения удельной энергии, отсут­ ствие шума, вредных выбросов и загрязнении, устойчи­ вость к вибрациям и ударам, работа в условиях неве­ сомости и др. Наиболее перспективными являются уста­ новки, в которых производится непосредственное преоб-. разование химической, солнечной, тепловой и ядерной энергии в электрическую [Л. 136]. К ним относятся элек­ трохимические источники тока и генераторы, солнечные

оценка границ применения различных энергетических установок показывает, что для космических исследова­ ний перспективен ЭХГ мощностью до сотен киловатт со сроком работы от десятков часов до нескольких месяцев...

При длительности работы более 1 дня ЭХГ по массовым показателям, значительно выгоднее аккумуляторов и гальванических элементов. Важным достоинством ЭХГ является возможность использования продуктов реак­ ции. Так, продуктом реакции в водородно-кислородном

в ЭХГ выделяется 0,35—0,45 кг воды. Таким образом, космонавт может быть обеспечен водой при выработке в сутки 8—40 кВт-ч пли при непрерывной работе ЭХГ со средней мощностью 0,3— 1,60 кВт. При месячном по­ лете экономия массы корабля за счет воды будет со­ ставлять от ПО до 410 кг на человека. Генерация воды является важным достоинством ЭХГ по сравнению с сол­ нечными батареями. Кроме того, ЭХГ могут вырабаты­ вать энергию в любое время суток, на любой стороне Луны или другой планеты; ЭХГ компактен и надежен, может быть сконструирован любой геометрической кон­ фигурации в соответствии с требованием космического аппарата; ЭХГ нечувствителен к ударам, вибрации, ра­ диации, вакууму, выдерживает кратковременные пере­ грузки до 100% номинальной мощности; ЭХГ -не имеет вредных выбросов, практически бесшумен, не дает ра­ диопомех и излучений. Указанные достоинства откры­ вают широкие перспективы использования ЭХГ для кос­ мических исследований [Л. 40—43, 67—70, 137— 140].

175

К ЭХГ космического назначения предъявляются высо­ кие требования по массе, объему, надежности, стабиль­ ности характеристик, устойчивости в невесомости, к виб­

Так, затраты па разработку ЭХГ для корабля «Джемпни» составили около 30 млн. долл. [Л. 138]. Всего за последние 10 лет в США израсходовано на разработку ЭХГ свыше 100 млн. долл. [Л. 139].

Первое применение в качестве бортового источника энергопитания ЭХГ нашли во время полетов космиче­ ских кораблей по программе «Джемнни» (ЭХГ этого ко­ рабля описан ранее). Общая масса ЭХГ с топливом и окислителем для двухнедельного полета «Джемнни 7» составляла 260 кг, объем 0,42 м3. В случае применения батареи серебряно-цинковых аккумуляторов масса си­ стемы энергопитания составляла бы 1490 кг, объем

0,53 м3.

Во время семи полетов космических кораблей «Джемпнп» ЭХГ проработали в общей сложности 840 ч, ге­ нерировали 512 кВт-ч электроэнергии и более 200 л. во­ ды. При полете корабля «Джемнни 5» возникали непо­ ладки в системе энергопитания, однако они были связа­ ны не с собственно ЭХГ, а с системой подачи реагентов в ЭХГ.

При разработке космического корабля «Аполлон» бы­ ли использованы ЭХГ фирмы Пратт и Уитни на основе средпетемпературного ТЭ с концентрированным (85%) раствором щелочи. Предпочтение, отданное ЭХГ фирмы Пратт и Уитни, обусловлено более сложными темпера­ турными условиями полета «Аполлона». Повышение тем­ пературы ЭХГ до 200—230 °С облегчило отвод тепла и воды от ЭХГ, повысило напряжение ТЭ и к. п. д. уста­ новки до 60—-65%, что позволило снизить расход реаген­ тов на единицу энергии (ЭХГ «Аполлона» был описан ранее). Расчеты системы энергопитания корабля на 400 ч работы при номинальной мощности показали, что при чистоте реагентов 99,995% необходима масса кисло­ рода с баками для хранения 380 кг, водорода 100 кг. Общая масса системы энергопитания составляет 810 кг.

Энергоустановки на основе ЭХГ обеспечивали энер­ гией корабль «Аполлон» во время 13 полетов, в том чис­ ле 6 орбитальных околоземных и 7 лунных [Л. 163]. Все­ го за 13 полетов ЭХГ проработали 6 325 ч, генерировав

176

4 369 кВт-ч энергии и 1 400 кг воды. Среднее потребле­ ние реагентов было 0,36 кг/(кВт-ч). Удельная энергия

безотказно, даже после хранения перед запуском в те­ чение трех лет. Во время полета «Аполлон 13» вышли из строя баки с кислородом, однако ЭХГ работал нор­ мально до момента прекращения подачи кислорода.

Разрабатывались ЭХГ космического назначения так­ же фирмой Аллис Чалмерс. Фирма разработала водо­ родно-кислородный ЭХГ мощностью 0,2 кВт массой 14 кг для использования на беспилотных спутниках Зем­ ли ВВС США. Фирма Аллис Чалмерс разработала ЭХГ

В США планировалась разработка ЭХГ по программе «Скайлаб» для системы энергопитания орбитальной кос­ мической лаборатории, предназначенной для полетов в течение 28 и 56 дней [Л. 140]. Система энергопитания должна иметь рабочую мощность при длительной ра­ боте 8 кВт при напряжении 28 В. Три ЭХГ мощностью по 2 кВт обеспечивают энергией командный и прибор­ ный отсеки. Кремниевые солнечные элементы обеспечи­ вают орбитальную мастерскую. Кроме того, в систему энергопитания входят батареи для аккумулирования энергии, работающие при пиковых нагрузках, при входе в атмосферу, после разделения отсеков и после посадки.

ГЛ. 164]. Из экстраполяции следовало, что в 1972 г.

с характеристиками ЭХГ на «Аполлоне» по массе в 4 ра­ за, объему в 10 раз, по сроку службы в 5 раз, стоимости в 2,5 раза. В 1970 г. Центр пилотируемых полетов заклю­ чил контракты с фирмами Пратт и Уитни и Дженерал Электрик на разработку к 1972 г. энергетических уста­ новок на основе ЭХГ мощностью 5 кВт, массой 18—

28 кг/кВт сроком службы 5 000 ч; ЭХГ предназначены для энергопитания челночных орбитальных кораблей.

КОН. Фирма Дженерал Электрик разрабатывает ЭХГ

При кратковременной работе основную долю объема и массы занимают собственно ЭХГ. Поэтому в этом слу­ чае важное значение имеет удельная мощность ЭХГ на единицу массы и объема. Фирма Пратт и Уитни [Л. 36] разработала систему энергопитания с высокой удельной мощностью и энергией, рассчитанную на кратковремен­ ные полеты от нескольких минут до нескольких часов. Увеличение удельной энергии и мощности обеспечивает­ ся работой ТЭ при высоких плотностях тока, упрощени­ ем вспомогательных систем ЭХГ и применением облег­ ченных баллонов для хранения водорода и кислорода. Расчеты показали, что система имеет удельную энергию 80 Вт-ч/кг при полете в течение 5 мин и 220 Вт-ч/кг при полете в течение 1 ч.

В качестве реагентов для ЭХГ космического назначе­ ния до сих пор использовались жидкий кислород и во­ дород. Как указывалось ранее, кислород при криоген­ ном хранении имеет наиболее высокие значения удель­ ной энергии по сравнению с другими окислителями. Во­ дород при криогенном хранении также имеет высокие значения удельной энергии. Однако при храпении жид­ кого водорода происходит его утечка, потери водорода при длительных полетах могут быть довольно высокими. Поэтому большой интерес представляет хранение водо­ рода в виде гидрида лития или боргидридов металлов. іМасса реагентов на единицу энергии при этом может быть ниже, чем масса жидкого водорода с учетом тары.

38. Электрохимические генераторы для флота и подводных работ

Достоинства ЭХГ представляют большой интерес для морского флота и подводных исследований; ЭХГ могут найти применение в подводных лодках, подводных лабо­ раториях и исследовательских станциях.

178

Интерес к подводным энергетическим установкам бу­ дет расти по мере разработки методов добычи полезных ископаемых со дна океана.

В [Л. 141] проанализирована целесообразность при­ менения четырех видов источников энергии для работ в течение более 168 ч на подводных установках: атом­ ных реакторов, батареи аккумуляторов, двигателей вну­ треннего сгорания и ЭХГ. Учитывались удобство, эконо­ мика, масса, объем и другие параметры. В результате

научно-исследовательской лодки мощностью 20—25кВг на четырех человек при глубине погружения до 6 км по­ казали, что при запасе энергии 1 100 кВт-ч масса энер­ гоустановки с ЭХГ составляет около 5 000 кг, объем —

ны способы хранения водорода и кислорода на подвод­ ной лодке для ЭХГ мощностью 5—30 кВт. Срок службы ЭХГ принимался от 1 мес. до нескольких лет. Криоген­ ное хранение водорода оказалось менее выгодным, чем

кислорода и хранения водорода под давлением. Однако наиболее целесообразно применение твердых реагентов: СаН2 для получения водорода и NaC103 для получения кислорода. Разработки ЭХГ для флота ведутся фирмой Аллнс Чалмерс совместно с Военно-морской инженерной лабораторией [Л. 144]. Проведено испытание водороднокислородного ЭХГ мощностью 1 кВт. Лаборатория Нейвэл шип систем комманд (США) [Л. 39] также разра­ батывает ЭХГ для морского флота. Были испытаны во­ дородно-кислородные ЭХГ мощностью 1—4 кВт. Имеет­ ся сообщение также о батарее ТЭ фирмы Пратт и Уит­ ни мощностью 5 кВт для гидрологических устройств [Л. 145]. Масса батареи 63,5 кг, объем 87 л.

Фирма Электрик Пауа Сторидж (Англия) [Л. 146] сообщила о применении водородно-кислородного ЭХГ на подводной станции в Средиземном море около о. Мальта в августе 1969 г. на глубине 7— 10 м. ЭХГ помещался в металлический цилиндр, внутри которого поддержива­