RU2662320C1 - Способ преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата - Google Patents
Способ преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662320C1 RU2662320C1 RU2017110013A RU2017110013A RU2662320C1 RU 2662320 C1 RU2662320 C1 RU 2662320C1 RU 2017110013 A RU2017110013 A RU 2017110013A RU 2017110013 A RU2017110013 A RU 2017110013A RU 2662320 C1 RU2662320 C1 RU 2662320C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- battery
- energy
- oxygen
- hydrogen
- mechanical energy
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 72
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 72
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 45
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 44
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 43
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 43
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 43
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 claims description 2
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 claims description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 6
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000041 non-steroidal anti-inflammatory agent Substances 0.000 description 1
- 229940021182 non-steroidal anti-inflammatory drug Drugs 0.000 description 1
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/42—Arrangements or adaptations of power supply systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/44—Methods for charging or discharging
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Изобретение относится к системам энергоснабжения космических аппаратов (КА). Способ преобразования энергии при энергоснабжении КА включает подачу на электроды металл-водородного аккумулятора постоянного электрического тока при его заряде в кислородно-водородном цикле газовой смесью из компонент для преобразования энергии электрохимических связей в механическую энергию, подключение к электродам аккумулятора токовой нагрузки при его разряде путем преобразования в кислородно-водородном цикле механической энергии указанной газовой смеси в энергию электрохимических связей, измерение давления и температуры сжатых газов смеси в процессе заряда и разряда аккумулятора. По измеренным значениям давления и температуры газовой смеси в конце заряда и последующего разряда определяют соотношение количества кислорода к количеству водорода, сравнивают указанное соотношение с номинальным коэффициентом избытка окислителя. При преобразовании в кислородно-водородном цикле механической энергии в тепловой вид и при выполнении условия К0≥Кду производят полный указанный заряд аккумулятора механической энергией смеси с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии в кислородно-водородном цикле. Техническим результатом изобретения является повышение энергетического ресурса КА. 3 ил.
Description
Изобретение относится к способам и системам энергоснабжения космических аппаратов (КА), содержащим вторичные химические металл-водородные источники тока (электрохимические аккумуляторы), обладающие свойством накапливать энергию в виде токообразующих электрохимических связей и преобразовывать ее в электрический вид в обратимых химических реакциях кислородно-водородного цикла. Кроме этого изобретение относится к системам энергоснабжения реактивных двигателей КА, работающих на кислородно-водородном топливе, получаемом на борту аппарата.
Известен способ преобразования энергии в кислородно-водородном цикле энергоснабжения космического аппарата в обратимой химической реакции на борту, связанной с получением и использованием на борту топлива для реактивных двигательных установок (РДУ) (см. Кочанов А.В., Оглоблина И.С. Перспективы создания и применения для управления КА двигательных установок на базе электролиза воды // Полет. 2012. №4. С. 9-15) [1]. В прямом направлении реакция протекает в виде горения водорода при его соединении с кислородом в РДУ, а в обратном - при электролизе воды в окислительно-восстановительном процессе, протекающем на электродах при прохождении постоянного электрического тока через воду
В прямом направлении происходит выделение большого количества энергии в виде тепла, которая в РДУ преобразуется в кинетическую энергию направленного движения газового потока. В обратном направлении производится накопление механической энергии в виде газообразных кислорода и водорода путем разложения воды в электролизной установке с выделением водорода на катоде и кислорода на аноде за счет преобразования энергии электрохимических связей воды (слабого электролита) при прохождении через нее постоянного электрического тока. При этом установка запитывается электроэнергией на борту КА от солнечных батарей (СБ) или электрических аккумуляторов.
Недостаток способа заключатся в том, что накопленная механическая энергия сжатых газов преобразуется в тепловой вид, который не является основным видом энергии на борту КА. Основным является электрический вид энергии, который в наибольшей степени востребован для работы бортовой аппаратуры КА.
В настоящее время на борту летательных аппаратов различных классов и назначения нашли широкое применение металл-водородные аккумуляторы и в частности на борту КА - никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ). Известен выбранный в качестве прототипа способ преобразования энергии при энергоснабжении КА от НВАБ с общим газовым коллектором (см. Баранчиков В.А., Железняков А.Г., Ковтун B.C., Сагина Ж.В. Ресурсные характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей в общем корпусе при эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите // Изв. РАН. Энергетика. 2006. №1. С. 59-66) [2]. Способ включает в себя подачу на электроды металл-водородного аккумулятора (НВАБ) постоянного электрического тока при его заряде в кислородно-водородном цикле газовой смесью из кислородной и водородной компонент для преобразования энергии электрохимических связей в механическую энергию, подключение к электродам аккумулятора токовой нагрузки при его разряде путем преобразования в кислородно-водородном цикле механической энергии указанной газовой смеси в энергию электрохимических связей, измерение давления и температуры сжатых газов смеси в процессе заряда и разряда аккумулятора.
Недостаток способа заключается в том, что в конце срока эксплуатации батареи, при ее утилизации в составе КА, часть механической энергии в виде кислородно-водородной газовой смеси, находящейся в корпусе батареи под давлением, является невостребованной.
Технический результат изобретения заключается в получении дополнительного энергетического ресурса КА за счет преобразования накопленной в металл-водородных аккумуляторах механической энергии кислородно-водородной смеси (сжатых газов, находящихся под давлением в корпусе батареи) в дополнительный (по отношению к основному электрическому виду) вид тепловой энергии, используемой на борту КА. При этом указанная смесь может являться топливом для кислородно-водородных РДУ.
Для достижения технического результата в способе преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата, включающем подачу на электроды металл-водородного аккумулятора постоянного электрического тока при его заряде в кислородно-водородном цикле газовой смесью из кислородной и водородной компонент для преобразования энергии электрохимических связей в механическую энергию, подключение к электродам аккумулятора токовой нагрузки при его разряде путем преобразования в кислородно-водородном цикле механической энергии указанной газовой смеси в энергию электрохимических связей, измерение давления и температуры сжатых газов смеси в процессе заряда и разряда аккумулятора, по измеренным значениям давления и температуры газовой смеси в конце заряда и последующего разряда определяют в ней количество кислорода и водорода, определяют соотношение количества К0 кислорода к количеству водорода, сравнивают указанное соотношение с номинальным коэффициентом избытка окислителя Кду при преобразовании в кислородно-водородном цикле механической энергии в тепловой вид и при выполнении условия К0≥Кду, производят полный указанный заряд аккумулятора механической энергией смеси с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии в кислородно-водородном цикле, а при К0<Кду производят перезаряд аккумулятора электрическим током, при этом продолжительность перезаряда контролируют по предельно допустимому значению температуры смеси сжатых газов из компонент и в момент достижения предельного значения, осуществляют указанный разряд аккумулятора номинальной токовой нагрузкой, с одновременным охлаждением аккумулятора до номинальных температурных значений смеси компонент, далее производят повторный зарядно-разрядный цикл, по результатам которого определяют значение коэффициента К1, обуславливающего указанное соотношение компонент в аккумуляторе после проведенного перезаряда, и, если выполняется условие К1≥Кду, производят полный заряд батареи с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии, а при К1<Кду повторяют n-е число зарядно-разрядных циклов с предварительным указанным перезарядом аккумулятора, где n=2, 3, …, и определением коэффициентов Кn до выполнения условия Кn≥Кду, с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии после полного заряда аккумулятора.
В качестве примера для пояснения технической сущности способа преобразования энергии при энергоснабжении КА выбран НВАБ с общим газовым коллектором (объемом) [2].
Для пояснения сути предложенного технического решения, представлены:
Фиг. 1 - графики зависимости емкости аккумуляторного элемента (АЭ) от электролитосодержания.
Фиг. 2 - графики измеренных значений основных параметров НВАБ, полученные в течение полетных суток (время, час), включающих проведение зарядно-разрядного теста батареи после девяти летнего срока эксплуатации в составе КА «Ямал-100» на геостационарной орбите (ГСО).
Фиг. 3 - графики измеренных значений основных параметров НВАБ, полученные в течение полетных суток (время, час), включающих проведение зарядно-разрядного теста батареи после пяти летнего срока эксплуатации в составе КА «Ямал-100» на ГСО.
На представленных графиках фиг. 1 отражается емкость АЭ с накоплением молекулярного кислорода (O2) 1 и без накопления O2 2.
На представленных графиках фиг. 2, фиг. 3 отражены: давление (P) 3 в газовом коллекторе НВАБ; температуры (t, °C): на корпусе батареи 4, поверхности радиационного теплообменника (РТО) 5 и тепловых трубах 6.
Известно, что процесс заряда НВАБ сопровождается выделением молекулярного кислорода на положительном окисно-никелевом электроде (ОНЭ) (см. Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. Металл-водородные электрохимические системы. Ленинград. «Химия», Ленинградское отделение, 1989 г.) [3, стр. 265-266]. В конце заряда часть зарядного тока тратится на реакцию выделения кислорода. В идеальном случае весь образующийся на ОНЭ кислород при разряде должен восстанавливаться (рекомбинировать) с водородом на катализаторе водородного отрицательного электрода (ВЭ) с образованием воды. В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомбинации носителей зарядов должны быть взаимно уравновешены. Таким образом, вместе с токообразующей реакцией обеспечивается замкнутый кислородно-водородный цикл [3, стр. 19]
Однако, как показывают испытания и опыт эксплуатации батареи, восстанавливается не весь выделившийся на ОНЭ кислород, а лишь некоторая большая его часть, в то время как остальной газ постепенно накапливается в коллекторе НВАБ. Транспорт кислорода по газовой фазе протекает в двух направлениях: тангенциальном - вдоль поверхности ОНЭ с выходом в газовую фазу и нормальном, формируя каналы подачи газа в сепараторе. В первом случае кислород поступает в общий объем коллектора. Во втором - газ накапливается в пористом объеме ОНЭ.
Наличие газообразного кислорода в порах положительного электрода отрицательно влияет на основные электрические характеристики аккумулятора. Протекающие в ОНЭ во время зарядно-разрядного цикла процессы влияют на его пористую структуру. Так, выделяющийся при заряде кислород помимо «локальных» эффектов (выдавливания электролита из ОНЭ и уменьшения рабочей поверхности его активного слоя, затопления ВЭ и повышения температуры при рекомбинации кислорода с водородом на ВЭ), оказывает механическое воздействие на пористую структуру ОНЭ. При этом, выделяющийся на ОНЭ кислород может отслаивать частицы активной массы от никелевого каркаса и выносить их к сепаратору.
В соответствии с законами образования новой газовой фазы в жидкой среде, выделяющийся в конце заряда кислород обладает большим давлением, чем давление жидкости в капиллярах и, тем более, большим давлением, чем давление водорода в общем газовом коллекторе. Таким образом, ОНЭ в конце каждого заряда испытывает «внутреннее» избыточное давление, максимум которого наступает в первые моменты времени разряда, когда давление водорода, окружающего батарею, начинает падать. Периодичность зарядно-разрядных циклов является причиной циклического характера этого воздействия. Этот процесс вызывает усталостные дефекты в материале электрода и приводит к появлению и росту трещин, что вместе с ростом крупных пор способствует изменению (увеличению) пористости в ходе наработки ресурса.
Было исследовано влияние выделения и накопления кислорода на характеристики НВАБ, установленных на КА «Ямал-100». Испытания проводились на малоформатных АЭ диаметром 49 мм, состоявших из одной электрохимической группы (ЭХГ) биполярной конструкции, стянутой между двумя фланцами в специальной оснастке. ЭХГ состояла из одного ОНЭ, ВЭ и сепаратора. При этом электрохимическая часть ЭХГ НВАБ состоит из 18 последовательно соединенных ЭХГ.
Выделение кислорода на ОНЭ начиналось по достижении уровня заряженности, соответствующего 0,6-0,7 C (C - номинальный уровень заряженности). После заряда до 0,8 C давление кислорода превысило постоянно поддерживаемое давление водорода в водородной полости, продолжая быстро возрастать вплоть до заряда 1,2 C. В этот момент наступил газовый пробой сепаратора: кислород начал перетекать (через освобожденные перепадом давления крупные поры сепаратора) из полости ОНЭ на ВЭ и в общий объем установки.
В результате исследований, определено влияние накапливающегося кислорода на электрическую емкость АЭ при различном электролитосодержании в ЭХГ. Зависимость электрической емкости АЭ от электролитосодержания с накоплением в полости ОНЭ кислорода и без него приведены на графиках фиг. 1. Как видно из графиков, при наличии перепада давления со стороны ОНЭ емкость АЭ уменьшается на ~20%.
Эти исследования убедительно свидетельствовали о том, что при накоплении кислорода в ОНЭ и образовании перепада давлений между кислородной и водородной полостями происходит некоторое передавливание электролита с ОНЭ на ВЭ, что приводит к уменьшению «рабочей» поверхности активной массы ОНЭ и возрастанию газодиффузионной поляризации ВЭ вследствие его затопления электролитом.
Результаты исследований были положены в основу эксплуатации НВАБ на верхних уровнях заряженности [4]. Заряд НВАБ находился в пределах 100-110% C (перезаряд более чем на 10% не допускался), что считалось оптимальным верхним уровнем заряженности.
Однако, по мере выработки ресурса батарей, происходило постепенное накопление в их коллекторах не рекомбинированного кислорода. Об этом свидетельствовал рост остаточного давления в коллекторе в конце тестовых разрядов, в зарядно-разрядных циклах, проводимых по два раза в год перед прохождением КА весенних и осенних теневых участков орбиты ([2], стр. 64, рис. 7). Расчетная формула энергоемкости (Wp) НВАБ (см. [2], стр. 60)
включает в себя К - коэффициент сжимаемости и расхода водорода в токообразующей электрохимической реакции; P - давление в коллекторе на момент времени окончания заряда, Па; Pк - давление в коллекторе на момент времени окончания разряда, Па.
При этом в конце разряда принимается условие использования всего водорода (переход в Ni(OH)2) в электрохимической реакции, о чем косвенно свидетельствует резкое падение напряжения на батареи (см. [2], стр. 63, рис. 4), фиксируемое датчиком. Частичные остатки водорода можно принять как не значительные и ими в расчетах можно пренебречь. Таким образом, падение давления, связанное с расходом водорода в электрохимической реакции, составило
Остаточное давление Pк создается смесью газообразного кислорода и паров воды. Общее давление смеси (из условия идеальных газов по закону Дальтона) равно сумме парциальных давлений газов в смеси
В начале эксплуатации батареи пары воды в коллекторе практически отсутствуют. Однако, при определенных температурных условиях дальнейшей эксплуатации, может происходить «высушивание» ЭХГ (см. Ковтун B.C., Железняков А.Г., Сагина Ж.В. Характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей после десяти лет эксплуатации в космосе // Изв. РАН. Энергетика. 2011. №3. С. 12-22) [4], с выпадение влаги на внутренних поверхностях корпуса НВАБ. При этом часть влаги находится в газообразном состоянии внутри корпуса. Процент ее незначителен (по проведенным оценкам, после пяти лет эксплуатации НВАБ и далее не более 4% от Pк), так как она либо конденсируется на внутренних поверхностях корпуса, либо за счет капиллярных сил, создаваемых пористыми структурами АЭ, восстанавливает состав щелочного электролита (КОН). Таким образом, с учетом всех конструктивных особенностей и условий эксплуатации батарей на конечном этапе их эксплуатации, можно принять за парциальное давление кислорода в НВАБ значение
где k - коэффициент, учитывающий наличие влаги в составе кислородно-водородной смеси, в рассматриваемом примере k≈0,96.
Проанализируем проведенный в конце срока эксплуатации батареи, тестовый зарядно-разрядного цикл, для определения по полученным значениям давления и температуры в конце заряда и конце разряда батареи, количества кислорода и водорода в НВАБ1 [2, 4] (фиг. 2).
Как следует из измеренных значений, отражаемых в виде графиков, в разрядно-зарядном цикле НВАБ получены значения
P1≈46,8 кгс/см2≈4,68⋅106 Па; P1К≈21,0 кгс/см2≈2,1⋅106 Па.
При этом температура корпуса в конце заряда составила T1≈0°C≈273 К. Определим массу водорода в конце заряда батареи, с учетом (2), по выражению
где μ1=2⋅10-3 кг/моль - молярная масса водорода;
V=15⋅10-3 м3 - объем газового коллектора НВАБ;
R=8,31 Дж/моль⋅K - универсальная газовая постоянная.
Определим массу кислорода в конце заряда батареи, с учетом (4), по выражению
где μ2=32⋅10-3 кг/моль - молярная масса кислорода.
Аналогичный тест проводился в конце пятилетнего срока эксплуатации НВАБ1 (фиг. 3, см. [2]., стр. 64, рис. 7]). По результатам теста получены исходные данные для расчета P'1≈55,1 кгс/см2≈5,51⋅106 Па; P'1К≈15,0 кгс/см2≈1,5⋅106 Па; T2≈60°C≈279К. Далее производим аналогично по (5) и (6) определение массы водорода и кислорода
Определим соотношение количества кислорода к количеству водорода в объеме батареи (К0) для первого случая
Выберем в качестве преобразователя энергии РДУ, работающую на кислородно-водородном топливе, в которой можно было бы использовать полученную смесь. Для этого можно использовать экспериментальную двигательную установку, разработанную в Центре Келдыша [1], для применения на КА. Получение топлива для РДУ производится за счет электролиза воды. Коэффициент избытка окислителя (Кду) РДУ (соотношение компонентов топлива O2 к H2) Кду=7,94.
Для эффективного преобразования механической энергии в тепловой вид необходимо добиться в преобразователе полного сжигания водорода в кислороде. Как видно, соотношение (7) больше примерно в полтора раза коэффициента избытка окислителя разработанной РДУ. Использование такого состава смеси приведет к повышенному расходу окислителя и уменьшению удельного импульса тяги. Изменить указанное соотношение, за счет управляющих воздействий на НВАБ, физически не возможно.
Поэтому сравнивают указанное соотношение (7) с номинальным коэффициентом избытка окислителя Кду при преобразовании в кислородно-водородном цикле механической энергии в тепловой вид и при выполнении условия К0≥Кду производят полный указанный заряд аккумулятора механической энергией смеси с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии в кислородно-водородном цикле путем сжигания водорода в кислороде.
В другом случае тестирования НВАБ получим соотношение
В данном варианте коэффициент меньше заданного, что также приведет к уменьшению удельного импульса тяги из-за неполного сгорания горючего. Значения величин, полученные в (7) и (8), образуют интервал, в котором находится коэффициент Кду. Следовательно, по мере выработки ресурса НВАБ, можно достичь номинального соотношения кислородно-водородной смеси в коллекторе батареи для выбранной РДУ. В случае завершения полета КА и прекращения эксплуатации батареи в качестве источника электроэнергии при соотношении (8), сокращения сроков получения смеси в соотношении, близком к значению Кду, производится за счет эксплуатации НВАБ в режиме перезаряда.
Как указывалось ранее, перезаряд батареи на величину больше 1,2 С, приводит к быстрой генерации кислорода с экзотермической реакцией и накоплением кислорода в газовой фазе. При этом высокое тепловыделение, приводит к быстрому росту температуры в зоне электрохимических реакций, который приводит к росту температуры газовой смеси. Указанный рост температуры может привести к «тепловому разгону батареи» [2-4] с разрушением структуры АЭ. Поэтому контроль завершения перезаряда производят по допустимому температурному значению газовой смеси (которое можно принять примерно равным температуре на корпусе батареи). В рассматриваемом примере предельной являлась температура газовой смеси 450°C. По достижении предельно допустимого температурного значения газовой смеси для исключения разрушения АЭ производится разряд батареи номинальным током с одновременным охлаждением ЭХБ через РТО [2].
Таким образом, при К0<Кду производим перезаряд аккумулятора электрическим током, при этом продолжительность перезаряда контролируем по предельно допустимому значению температуры смеси сжатых газов из компонент и в момент достижения предельного значения осуществляем указанный разряд аккумулятора номинальной токовой нагрузкой, с одновременным охлаждением аккумулятора до номинальных температурных значений смеси компонент (15-200°C) [2, 4]. Далее производим повторный зарядно-разрядный цикл, по результатам которого определяем значение коэффициента К1, обуславливающего указанное соотношение компонент в аккумуляторе после проведенного перезаряда, и, если выполняется условие К1≥Кду, производим полный заряд батареи с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии. Если условие не выполняется (К1<Кду), производится «дополнительное накачивание» батареи кислородом. Для этого повторяется n-е число зарядно-разрядных циклов с указанным перезарядом батареи, где n=2, 3, …, и с определением коэффициентов Кn до выполнения условия Кn≥Кду, с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии после полного заряда аккумулятора. При этом осуществляется перепуск кислородно-водородной смеси из батареи в преобразователь (магистраль подачи топлива в РДУ [1]) после полного заряда батареи.
Реализация способа может быть осуществлена с использованием существующей НВАБ, с общим газовым коллектором, конструктивные особенности которой не потребуют специальной доработки (см. Баженов М.Д., Железняков А.Г., Кондратьев Д.Г. Никель-водородная аккумуляторная батарея с общим газовым коллектором // Изв. РАН. Энергетика. 2003. №5. С. 21-37) [5]. К штуцеру заправки водорода НВАБ подключается магистраль системы подачи смеси в РДУ. При этом в магистраль системы последовательно включены электропневмоклапан открытия магистрали, газожидкостный сепаратор воды, понижающий рабочий редуктор. Указанные элементы системы представлены на рис. 3б в [1]. На выходе магистраль соединяется со штуцером подачи кислорода в РДУ (см. [1], рис 2). А на штуцер подачи водорода в РДУ ставится заглушка.
Проведем оценку эффективности применения способа. Для этого используем основные параметры разработанного экспериментального двигателях [1] - расчетную тягу F=0,1H; расход компонентов топлива: кислорода - 27 мг/с, водорода 3,4 мг/с (суммарный секундный массовый расход 
); расчетный удельный импульс тяги 3730 м/с.
В результате использования способа в НВАБ может быть образована кислородно-водородная смесь общей массой Mc1~41,5 г, при соотношении компонентов топлива 36,9 г O2 и 4,6 г H2 (К'ду≈8). Всего на борту КА «Ямал-100» находится две НВАБ, следовательно, можно использовать суммарную массу смеси Mc≈83 г. Общая продолжительность работы двигателя на образованной смеси
Для КА «Ямал-100» массой МК=103 кг величина характеристической скорости увода на орбиту захоронения составит
ΔV≈FΔτ/МК≈0,27 м/с.
Указанная оценка приводится для существующих устройств, на базе которых может быть реализован предложенный способ. Отдельное рассмотрение технического решения, с разработкой специальных устройств для его реализации могут повысить эффективность способа. Необходимо также отметить, что реализация предложенного способа преобразования энергии может использоваться на борту КА совместно с двигательной установкой на базе электролиза воды. Преимущество такой реализации заключается в уменьшении общей массы исполнительных устройств.
Литература
1. Кочанов А.В., Оглоблина И.С. Перспективы создания и применения для управления КА двигательных установок на базе электролиза воды // Полет. 2012. №4. С. 9-15.
2. Баранчиков В.А., Железняков А.Г., Ковтун B.C., Сагина Ж.В. Ресурсные характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей в общем корпусе при эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите // Изв. РАН. Энергетика. 2006. №1. С. 59-66.
3. Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. Металл-водородные электрохимические системы. Л.: «Химия», Ленинградское отделение, 1989 г.
4. Ковтун B.C., Железняков А.Г., Сагина Ж.В. Характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей после десяти лет эксплуатации в космосе // Изв. РАН. Энергетика. 2011. №3. С. 12-22.
5. Баженов М.Д., Железняков А.Г., Кондратьев Д.Г. Никель-водородная аккумуляторная батарея с общим газовым коллектором // Изв. РАН. Энергетика. 2003. №5. С. 21-37.
Claims (1)
- Способ преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата, включающий подачу на электроды металл-водородного аккумулятора постоянного электрического тока при его заряде в кислородно-водородном цикле газовой смесью из кислородной и водородной компонент для преобразования энергии электрохимических связей в механическую энергию, подключение к электродам аккумулятора токовой нагрузки при его разряде путем преобразования в кислородно-водородном цикле механической энергии указанной газовой смеси в энергию электрохимических связей, измерение давления и температуры сжатых газов смеси в процессе заряда и разряда аккумулятора, отличающийся тем, что по измеренным значениям давления и температуры газовой смеси в конце заряда и последующего разряда определяют в ней количество кислорода и водорода, определяют соотношение количества К0 кислорода к количеству водорода, сравнивают указанное соотношение с номинальным коэффициентом избытка окислителя Кду при преобразовании в кислородно-водородном цикле механической энергии в тепловой вид и при выполнении условия К0≥Кду производят полный указанный заряд аккумулятора механической энергией смеси с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии в кислородно-водородном цикле, а при К0<Кду производят перезаряд аккумулятора электрическим током, при этом продолжительность перезаряда контролируют по предельно допустимому значению температуры смеси сжатых газов из компонент и в момент достижения предельного значения осуществляют указанный разряд аккумулятора номинальной токовой нагрузкой, с одновременным охлаждением аккумулятора до номинальных температурных значений смеси компонент, далее производят повторный зарядно-разрядный цикл, по результатам которого определяют значение коэффициента К1, обуславливающего указанное соотношение компонент в аккумуляторе после проведенного перезаряда, и, если выполняется условие K1>Кду, производят полный заряд батареи с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии, а при K1<Кду повторяют n-е число зарядно-разрядных циклов с предварительным указанным перезарядом аккумулятора, где n=2,3,…, и определением коэффициентов Кn до выполнения условия Кn≥Кду, с последующим преобразованием механической энергии в тепловой вид энергии после полного заряда аккумулятора.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017110013A RU2662320C1 (ru) | 2017-03-24 | 2017-03-24 | Способ преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017110013A RU2662320C1 (ru) | 2017-03-24 | 2017-03-24 | Способ преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2662320C1 true RU2662320C1 (ru) | 2018-07-25 |
Family
ID=62981789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017110013A RU2662320C1 (ru) | 2017-03-24 | 2017-03-24 | Способ преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2662320C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5395706A (en) * | 1994-01-14 | 1995-03-07 | Space Systems/Loral, Inc. | Satellite battery thermal/capacity design |
| RU2291819C2 (ru) * | 2005-01-24 | 2007-01-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Способ управления энергообеспечением космического аппарата |
| RU2392700C1 (ru) * | 2008-11-20 | 2010-06-20 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника земли |
-
2017
- 2017-03-24 RU RU2017110013A patent/RU2662320C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5395706A (en) * | 1994-01-14 | 1995-03-07 | Space Systems/Loral, Inc. | Satellite battery thermal/capacity design |
| RU2291819C2 (ru) * | 2005-01-24 | 2007-01-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Способ управления энергообеспечением космического аппарата |
| RU2392700C1 (ru) * | 2008-11-20 | 2010-06-20 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника земли |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| В.А. Баранчиков и др. Ресурсные характеристики никель-водородных аккумуляторных батарей в общем корпусе при эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите. Известия Российской академии наук. Энергетика. - М.: Наука, 2006, N 1, с. 59-66. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Uno et al. | Accelerated charge–discharge cycling test and cycle life prediction model for supercapacitors in alternative battery applications | |
| Burke | Fuel cells for space science applications | |
| CN101542804B (zh) | 燃料电池系统 | |
| Heidari et al. | Technical feasibility of a proton battery with an activated carbon electrode | |
| CN101689658B (zh) | 燃料电池系统 | |
| US9266085B2 (en) | Johnson ambient-heat engine | |
| RU2001128887A (ru) | Аккумуляторная батарея, устройство, содержащее аккумуляторную батарею, способ локально-распределенной выработки электроэнергии и устройство выработки электроэнергии указанным способом | |
| Choi et al. | Novel hydrogen production and power generation system using metal hydride | |
| JPH02502499A (ja) | 長寿命ニッケル‐水素蓄電池 | |
| JP5594744B2 (ja) | リバーシブル燃料電池 | |
| Likit-Anurak et al. | The performance and efficiency of organic electrolyte redox flow battery prototype | |
| RU2313160C1 (ru) | Способ подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в системе электропитания искусственного спутника земли | |
| EP2869383B1 (en) | Large-capacity power storage device | |
| RU2662320C1 (ru) | Способ преобразования энергии при энергоснабжении космического аппарата | |
| CN205790192U (zh) | 一体式甲醇重整燃料电池系统 | |
| CN110085808B (zh) | 一种具有电解液非接触式贮氢合金负极的镍氢电池 | |
| Kim et al. | Compact PEM fuel cell system using chemical hydride hydrogen source for portable power generators | |
| Garche et al. | Regenerative fuel cells | |
| Smithrick et al. | Nickel-hydrogen batteries-An overview | |
| KR102151721B1 (ko) | 이동식 에너지 가역 충방전 시스템 | |
| US10553916B2 (en) | Johnson ambient heat engine | |
| WO2021100112A1 (ja) | 直流電源システム | |
| KR102358856B1 (ko) | 전기 에너지를 생산하기 위한 충전가능한 전기화학 디바이스 | |
| CN216720003U (zh) | 一种氢动力电池系统 | |
| Ghezel-Ayagh et al. | Hybrid SOFC-battery power system for large displacement unmanned underwater vehicles |