Лунная база: назначение основных систем и работа аккумулятора электроэнергии с водородным циклом

081114 2036 1 Лунная база: назначение основных систем и работа аккумулятора электроэнергии с водородным циклом

Энергомодуль лунным днем получает электроэнергию от солнечных батарей. Получаемые в процессе электролиза водород и кислород запасаются в баллонах блоков хранения газов. Кислород может быть использован также для дыхания экипажа, а водород вместе с кислородом — для двигательной установки взлетно-посадочных кораблей. Проведение электролиза воды при высоком давлении газов (водорода и кислорода) позволяет исключить из состава системы компрессоры для сжатия газов. Необходимую для электролиза воду получают из собственных запасов аккумулятора энергии, которые пополняются от системы водообеспечения лунной базы.

 

ЭХГ предназначен для выработки электроэнергии лунной ночью. Произведенные водород и кислород, запасенные в баллонах системы хранения газов, подаются в ЭХГ, где в процессе реакции между газами производится электроэнергия и образуется вода. Электроэнергия отдается потребителю, а вода накапливается в резервуаре для хранения воды для повторного ее использования.

 

Система хранения газов, включающая блок хранения и подачи водорода, блок хранения и подачи кислорода и азота, предназначена для сбора и хранения произведенных при электролизе воды водорода и кислорода. Хранение газов осуществляется в баллонах высокого давления. Раздельное хранение реагентов обеспечивает нулевой саморазряд в ЭХГ, что позволяет использовать его для длительного хранения запаса энергии при консервации лунной базы.

 

По совокупности свойств накопитель энергии с водородным циклом имеет существенные преимущества по сравнению с обычными аккумуляторами:

— удельная энергия составляет 0,2-0,5 кВтхч/кг при энергоемкости 100-7000 кВтхч, в то время как удельная энергия современных аккумуляторных батарей (никель-металлгидридные, литий-ионные и др.) составляет 0,04-0,1 кВтхч/кг;

— разнообразие видов энергии, накапливаемой и производимой, позволяет легко интегрировать его с другими системами базы, прежде всего с системами обеспечения температурного режима и жизнеобеспечения жилых и служебных модулей. При использовании тепла электрохимических реакций для обогрева служебных и обитаемых модулей КПД накопителя составит 80-90 % при электрическом КПД примерно 50%;

— система может использоваться как источник газообразного кислорода для дыхания экипажа и агрегатов инфраструктуры лунной базы.

 

081114 2036 2 Лунная база: назначение основных систем и работа аккумулятора электроэнергии с водородным циклом

Для космических энергоустановок массогабаритные и удельные характеристики имеют определяющее значение. Хотя они зависят от конкретной конструкции системы энергоснабжения и используемых агрегатов, эти характеристики можно предварительно оценить, исходя из состава системы и параметров перспективных образцов используемых агрегатов.

 

Основной вклад в массу и объем энергоустановки с ЭХГ дает система хранения рабочих газов (O2 и Н2), поэтому, в первом приближении, предельно достижимую мощность энергоустановки можно оценить по массе и объему этой системы. Более точные расчеты массы должны учитывать состав аккумулятора и удельные характеристики его основных систем. Зависимость массы энергоустановки с водородным циклом от его мощности (N) можно оценить по эмпирической формуле:

 

М (кг) 590 N (кВт).

 

Оценка технических характеристик системы энергоснабжения с солнечными батареями и аккумулятора энергии с водородным циклом проводилась для следующей архитектуры базы: жилой модуль; технологический модуль с оборудованием жизнеобеспечения базы; фитотрон для выращивания растений; научный модуль. Кроме того, предполагалось, что в состав лунной базы входят три лунохода: тяжелый пилотируемый луноход со своим ЭХГ и газовыми баллонами, предназначенный для осуществления экспедиций длительностью до 5 суток; транспортно-грузовой луноход и рабочий луноход, предназначенный для использования в качестве универсальной строительной машины.

 

081114 2036 3 Лунная база: назначение основных систем и работа аккумулятора электроэнергии с водородным циклом

При оценке рассматриваемой системы энергоснабжения принимались следующие условия: численность экипажа одной экспедиции 6 человек при длительности 3 месяца, срок службы оборудования — до 10 лет.

В состав системы энергоснабжения базы входят: солнечные батареи, рассматриваемый аккумулятор, устройства преобразования электроэнергии. Аккумулятор состоит из трех электролизеров воды, трех ЭХГ и обеспечивающих систем. Все агрегаты системы энергоснабжения (солнечные батареи, электролизеры, ЭХГ, баллоны, преобразователи) разделены на секции, которые по истечении ресурса или при выходе из строя могут заменяться. Газы хранятся в баллонах при температуре (170-200) К, что позволяет на треть увеличить массовую емкость баллонов. Это достигается захолаживанием баллонов во время лунной ночи, и их термоизоляцией во время лунного дня. Высокое рабочее давление электролизеров (35 МПа) позволяет заполнять баллоны без использования механических компрессоров.

 

Проектные характеристики системы энергоснабжения средней мощностью 50 кВт и пиковой 100 кВт для лунной базы и двух уровней технологий (существующая — 2010 г., и ближайшей перспективы — 2020 г.) приведены в табл. ниже.

 

Таблица. Характеристики системы электроснабжения лунной базы на основе солнечных батарей и водород-кислородных электрохимических батарей для двух уровней технологий

Удельные параметры

2010 г

2020 г

КПД ЭХГ

0,7

0,7

КПД электролизера

0,7

0,8

Удельный расход водорода в ЭХГ, кг/кВт-ч

0,045

0,045

Удельный расход кислорода в ЭХГ, кг/кВт-ч

0,36

0,36

Удельная масса ЭХГ, кг/кВт

5

5

Удельная масса электролизера высокого давления, кг/кВт

30

15

Удельная масса баллонов водорода базы, кг/кг водорода

13

10

Удельная масса баллонов для кислорода, кг/кг кислорода

0,8

0,6

Удельная масса СБ в расчете на среднедневную мощность, кг/кВт

20

10

Исходные данные проекта

Среднесуточная электрическая мощность потребления базы, кВт

50

50

Пиковая мощность потребления базы, кВт

100

100

Время накопления энергии в аккумуляторе, земных суток

14

14

Время выдачи энергии из аккумулятора, земных суток

14

14

Результаты проекта

Потребная энергоемкость аккумуляторов базы, кВт-ч

16800

16800

Потребная масса водорода для базы, кг

756

756

Потребная масса кислорода для базы, кг

6050

6050

Масса баллонов водорода для базы, кг

9830

7560

Масса баллонов кислорода для базы, кг

4910

3780

Суммарный объем баллонов водорода и кислорода при давлении 35 МПа, мЗ

28

28

Масса всех ЭХГ базы, кг

500

500

Потребная электрическая мощность электролизеров, кВт

118

104

Масса всех электролизеров, кг

3550

1550

Суммарная масса аккумуляторов энергии базы, кг

29400

23200

Удельная энергия аккумуляторов энергии, Вт-ч/кг

571

723

Удельный объем аккумуляторов энергии, Вт-ч/м3

496

496

Удельные параметры

2010 г

2020 г

Потребная среднедневная мощность солнечных батарей, кВт

168

154

Масса солнечных батарей, кг

3370

1540

 

 

В табл. ниже приведены характеристики энергоустановки пилотируемого лунохода, причем при оценках было принято, что луноход заправляется один раз в 5 земных суток.

 

Таблица. Характеристики электрохимической энергоустановки лунохода для двух уровней технологий

Параметры:

2010 г

2020 г

Удельная масса баллонов водорода лунохода, кг/кг водорода

20

15

Удельная масса баллонов кислорода для лунохода, кг/кг кислорода

1,3

0,9

Среднесуточная электрическая мощность лунохода, кВт

8

8

Пиковая мощность потребления лунохода, кВт

15

15

Длительность рейса лунохода, земных суток

5

5

Потребная энергоемкость лунохода, кВт-ч

960

960

Потребная масса водорода для лунохода, кг

43

43

Потребная масса кислорода для лунохода, кг

346

346

Масса баллонов водорода для лунохода, кг

864

648

Масса баллонов кислорода для лунохода, кг

432

324

Объем энергоустановки для лунохода, м3

3,2

3,2

Масса ЭХГ лунохода, кг

75

75

Суммарная масса энергоустановки для лунохода, кг

2020

1650

Удельная энергия энергоустановки лунохода, Вт ч/кг

474

581

 

081114 2036 4 Лунная база: назначение основных систем и работа аккумулятора электроэнергии с водородным циклом

Оценка энергетических характеристик проведена без учета возможности использования тепла, выделяющегося при работе ЭХГ и других агрегатов для отопления помещений базы и лунохода. Не учитывались также возможности использования водорода и кислорода для систем жизнеобеспечения и заправки ракетных блоков.


Найти на unnatural: Лунная база назначение основных систем работа аккумулятора электроэнергии водородным циклом
Автор: admin | 12 Август 2014 | 193 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100