Оценка возможности применения в силовых установках беспилотных летательных аппаратов источников электричества на основе топливных элементов

Беспилотные системы способные продолжительное время находиться в воздухе будут хорошим инструментом для разведки, правда необходимы ещё аналитики способные к перекапыванию тысяч часов сохраненного видео.

Двигательные установки – другая область, где беспилотная промышленность является инновационной и ещё незрелой. Большинство использующихся двигателей взяты с обычных самолётов или возникает на не авиационных рынках. Вооруженные силы отмечают, что маленькие воздушные аппараты, нуждаются в легких силовых установках.

Имеется потребность в хороших двигателях для тяжелого топлива мощностью меньше 120 лошадиных сил. Однако проблема заключается в том, что этот двигатель нужен только в строительстве БПЛА.

Потребность в двигателе для БПЛА направила поиск в различных направлениях. Для больших самолетов с продолжительным временем полёта, таких как Qinetiq Zephyr, ответом бы были фотоэлементы и передовые батареи. Если продолжительность полёта должна быть больше трех месяцев, как в планах DARPA с ее программой Vulture, то комбинация из солнечных батарей и топливных элементов в регенеративной энергетической системе похожа на потенциальное решение.

Жидкий водород, как полагают, хорошо пойдёт для высотных аппаратов, Aurora и Boeing уже проверяют это топливо в измененном автомобильном двигателе Форда. Компания AeroVironment строит Global Observer, который будет использовать жидкий водород в двигателе внутреннего сгорания, чтобы крутить генератор, приводящий в движение четыре электромотора. Цель — полёт на высоте 20 000 метров продолжительностью в неделю.

В секторе маленьких аппаратов топливные элементы предлагают резко расширять продолжительность полёта запускаемых вручную аппаратов, приводящимися в движение аккумуляторами. К примеру, Protonex заключила контракт, чтобы оснастить широко используемые Raven B и Puma AE гибридным топливными элементами, что обещает повысить продолжительность полёта этих платформ в четыре раза. Департамент военно-морских исследований планирует запустить экспериментальный тактический беспилотный аппарат с продолжительностью полёта в 24 часа на основе топливных элементов.

Сегодня электрическая установка выдаёт один, два киловатта, что достаточно, чтобы поднять БПЛА в воздух массой до 3,5 кг. В будущем эта мощность должна увеличиться. Имеется также потенциал для того, чтобы распределить энергоустановку по всему самолету, вместо того, чтобы иметь один большой модуль. Aurora экспериментирует с таким распределением в своём опытном образце Excaliber, который комбинирует ориентируемый турбореактивный двигатель с питаемым от батарей вентилятором в кольцевом обтекателе для вертикального взлета и приземления

В России и за рубежом уже на протяжении долгого времени проводятся работы по созданию, совершенствованию ТЭ. Среди первых создателей и исследователей ТЭ, опубликовавших свои работы, были W. Grove в 1839 г. (создатель первого водородно-кислородного ТЭ), российский ученый П. Н. Яблочков (провел испытания водородно-кислородного ТЭ). В 1884 г. W. Ostwald предложил заменить ТЭС на ТЭ, в которых в качестве топлива использовался бы уголь. В разное время проблемой ТЭ занималися такие иностранные исследователи, как: F. Bacon. E. Jusli, W. Vielstich, К. Kordesch, L.L. Nidrach, A. Appleby, E. Cairns, J. Bockris, K. Wiesener, Ju. Garche. К настоящему времени проведена огромная работа по проектированию и созданию различных ТЭ, нашедших свое применение в различных областях.

За рубежом ТЭ привлекают не только своей эффективностью (КПД ЭУ на базе ТЭ составляет более 70%) [1], но и относительной простотой и возможностью применения в коттеджном строительстве и малой энергетике. Например, большой интерес к ЭУ небольшой мощности на базе ТЭ, которые возможно применить непосредственно для обслуживания зданий и коттеджей, проявляется в Германии. Фирмы “Plug Power”, “General Electric Corp.”, “Engelgard Industries”, “Celanese”, “Vaillant” объединились в концерн для производства ЭУ на базе ТЭ небольшой мощности. В 2001 г. ими было сертифицировано и создано 217 ЭУ [2].

Для обеспечения электроэнергией и теплом различных поселков, отдаленных районов, геологических и нефтяных экспедиций в большом количестве уже применяются ЭУ на базе ТЭ, произведенные в США и проданные в разные страны в количестве 250 шт. мощностью 200 кВт каждая. В Японии фирмами “Fuji Electric” и “Mitsubishi Electric” уже реализовано более 200 ЭУ мощностью 50, 100 и 200 кВт [3].

Объединение компаний “EWE AG” и “Sulzer Hexis” создало ЭУ на базе ТЭ мощностью 1 кВт и получило контракт на 150 установок, а концерн из компаний “EWE AG” и “Vaillant” - заказ на 150 ЭУ мощностью 4,6 кВт электрической и 7,6 кВт тепловой энергии [3]. Фирмы “Alstom” (Франция) и “Ballard Generation Systems” (Канада) совместно создали 6 ЭУ на базе ТЭ мощностью 250 кВт, установленные в Германии, Франции и Швейцарии.

Германская фирма “MTU” совместно с фирмой “Fuell Cell Energy” (США) разработали ЭУ на базе ТЭ мощностью 250 кВт, обе успешно эксплуатируются в Германии: одна с 1999 г., другая – с 2001 г., производя как электроэнергию, так и тепло [3].

Главная проблема [3], препятствующая широкому внедрению ТЭ и ЭУ на их основе, – это высокая себестоимость производства ТЭ, связанная с применением редких и драгоценных металлов. Основные работы ведутся по повышению эффективности имеющихся ТЭ, а также удешевлению стоимости производства в части замены материалов платиновой группы на вновь создаваемые композиционные. Например, цены на ТЭ постоянно снижаются: в США и Европе до 2000 $/кВт, в Японии до 2500 $/кВт и в России до диапазона 800-1000 $/кВт.

Важность проблемы ТЭ актуальна и в масштабах России в части возможности внедрения ТЭ в промышленную и малую энергетику. По данным в России промышленные ЭС составляют примерно 15% мощностей всех ЭС, а их замена на ЭУ на базе ТЭ принесет повышение суммарного КПД на 15%, а также будет способствовать снижению уровня вредных выбросов, уровня шума и т.д. Работы по созданию и применению ТЭ в России включены в президентскую программу развития водородной энергетики в России.

В России исследования в области ТЭ проводились под руководством А. С. Липилина, Н. В. Коровина, А. Н. Фрумкина, Я. М Колотыркина, А. Н. Барабошкина, В. П. Легасова, Н. С. Лидоренко, С. В. Карпачева, B.C. Багоцкого, Н. Н. Баталова, Ю. Л. Голина, А. К. Демина, Э. И. Григорова, А. Г. Пшеничникова, С. А. Худякова, В. Н. Фатеева и др. Определенных успехов в исследовании и производстве ТЭ достигли: Уральский электрохимический комбинат; РКК “Энергия”; ГНПП “Квант”; Институт электрофизики УрО РАН г. Екатеринбург); РФЯЦ — ВНИИТФ (г. Снежинск); РФЯЦ “ВНИИЭФ” (г. Саров); ГНЦ “Физико-энергетический институт” (г. Обнинск); ГНЦ “Курчатовский институт” (г. Москва); ГНТЦ “Водород” (г. Протвино); Уральский электрохимический комбинат (г. Новоуральск); МЭИ (ТУ) и др.

С начала 90-х годов коллектив ФГУП “РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина” (г. Снежинск) выполняет исследования твердооксидных топливных элементов [3] в части повышения эффективности, а также улучшения конструкции. Основными консультантами РФЯЦ-ВНИИТФ являются сотрудники Института электрофизики УрО РАН, занявшиеся проблемой ТЭ ранее. Совместно проведена огромная работа по созданию теоретической базы для ТЭ, созданию и улучшению материалов для ТЭ, отладки режимов работы и внедрению инноваций в созданные “в металле” образцы ТЭ. Созданы КЭУ на базе ТЭ и отдельные ТЭ (например, мощностью 0,4 - 1 кВт), которые затем подверглись доводке для широкомасштабного применения в энергетике. В последние годы увенчались успешными испытаниями ЭУ мощностью 1- 2,5 кВт. В основе батарей лежат ТЭ с несущим электролитом трубчатой конструкции. Распределенный токосъем с анода и катода в виде засыпки позволил уменьшить внутреннее сопротивление элементов и достичь удельной мощности единичного элемента 400 мВт/см², а в составе энергосистемы получено около 170 мВт/см².

В ФГУП ”ЦИАМ им. П.И. Баранова” проблемой ТЭ, применением ТЭ в авиационной промышленности (в том числе и на борту летательных аппаратов) занимаются А. В. Байков, С. И. Мартыненко в рамках отдела 009 под руководством Л. С. Яновского. Рассматриваются вопросы термохимической регенерации тепловой энергии топлива за счет конверсии топлива в синтез – газ (смесь окиси углерода и водорода). Для предотвращения большого избытка одного из компонентов конверсии, создаются новые пористые мембранно-каталитических системы, в которых внутрь микроканалов, помещают вещества, выполняющие роль катализаторов. Осуществление химических реакций в микроканалах создает ряд преимуществ, в частности стехиометрическое соотношение продуктов реакции. Также рассматриваются вопросы применения легкополучаемого биогаза из биомассы в качестве топлива для ТЭ [2].

Исследованием различных схем КЭУ на базе ТЭ и их оптимизацией, усовершенствованием их параметров, а также ЭУ с газификацией угля занимается также коллектив ОАО “Теплотехнического научно- исследовательского института” (Д. Г. Григорук, А. В. Туркин).

В Институте электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург) с 1960-х годов коллектив занимался разработкой твердых электролитов для ТЭ, а с начала 70-х годов разработкой макетов ЭХГ. В 1989 году под руководством Липилина А. С. создан, ЭХГ мощностью 1 кВт. Также рассматриваются вопросы применения ТОТЭ в распределенной и мобильной энергетике.

В МЭИ (ТУ) исследованием термодинамики и электрохимическим процессов ТЭ долгое время занимается проф. Н. В. Коровин [3].

Буровым В.Д. и Захаренковым Е.А. (МЭИ (ТУ)) выполнены исследования и оптимизация различных параметров схем КЭУ на основе ТЭ и ГТУ [2]. Главный вопрос, который был освещен в работах - это введение критериев оценки эффективности всей КЭУ. На основе рассмотренной взаимосвязи ТЭ и ГТУ в рамках КЭУ предложен структурный алгоритм расчета. Однако данная работа основывается на параметрах ТЭ, взятых с вольт - амперных характеристик (ВАХ), созданных компанией “Siemens Westinghouse Power Generation”, а не рассчитанных на основе электрохимических реакций. Положительным фактом в работе является то, что были проанализированы различные виды КЭУ на основе ТЭ и ГТУ, а также осуществлен выбор оптимальной по мощности ГТУ для совместной работы с ТЭ фирмы “Siemens WPG”. Создан программный продукт в среде “Microsoft Excel” для расчета параметров ТЭ. Однако данный программный продукт не анализирует химические превращения внутри ТЭ в процессе работы, что существенно влияет на ЭДС ТЭ.

Разработанные к настоящему времени ЭУ на базе ТЭ различных типов отличаются единичной мощностью, ресурсом, КПД. В КЭУ мощностью до 20 МВт предпочтительнее использовать ЭУ, состоящую из несколько одинаковых ТЭ, включающихся в батареи ТЭ, соединенных с одной ГТУ малой и средней мощности [3].

Малые и средние ГТД, разработанные для вертолетов и легких самолетов, имеют ресурс 4 - 8 тыс. ч., выполнены по схеме со свободной силовой турбиной, и для применения в наземных установках требуется их конвертирование [3].

Это показывает весь скрытый потенциал данного направления исследований, перейти на широкое применения топливных элементов в авиации мешают только их размеры и масса.

Работа выполнена при финансовой поддержки Минобрнауки РФ.

Литература:

1. Введение в термодинамику топливного элемента / В.Н. Борисов, И.Г. Лукашенко, М.А. Ахлюстин / Твердооксидные топливные элементы: Сборник научно - технических статей. – Снежинск: Издательство РФЯЦ – ВНИИТФ, 2003. С. 9 – 15.

2. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 280 с.

3. Липилин А.С. Применение ТОТЭ в распределенной и мобильной энергетике. Презентация на межотраслевой семинар в ФГУП ЦИАМ им. П. И. Баранова. 22 июня 2009 года. Москва.

4. Разработка модуля термодинамического расчета твердооксидных топливных элементов SOFC. / И. М. Горюнов, Ф. Г. Бакиров, А.С.Липилин, В.В. Кулаев, Лоскутников А. А. // Вестник Воронежского государственного технического университета, Т. 6. №10. – Воронеж: изд. ВГТУ, 2010, – С. 186-190.