Регенеративная энергоустановка для дирижабля, предназначенная для перемещения его в окружающей среде, и способ ее эксплуатации

Изобретение относится к области энергетики летательных аппаратов. Регенеративная энергоустановка содержит солнечную батарею, электрический привод винта с блоком управления, электрически соединенный с солнечной батареей, электролизер, электрически соединенный с солнечной батареей, электрохимический генератор, электрически соединенный с блоком управления электрического привода винта, блоки хранения и подачи водорода и кислорода, пневматически соединенные с электрохимическим генератором и электролизером, блок хранения и подачи воды, гидравлически соединенный с электрохимическим генератором и электролизером, насос. В энергоустановку введены камера смешивания, камера сгорания, турбина, на валу которой установлены компрессор и электрогенератор, регенеративный теплообменник и теплообменник-влагоотделитель, в котором установлен датчик уровня воды, соединенный каналами управления с насосом. Способ эксплуатации характеризуется использованием регенеративной энергоустановки для дирижабля. Изобретение направлено на повышение общей эффективности энергоустановки при использовании на дирижабле. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике летательных аппаратов, основанной на применении топливных элементов (ТЭ) и электролизеров (ЭЛ). Предлагаемое техническое решение можно применять для энергоустановок (ЭУ), используемых, в основном, для дирижаблей.

Аналогом предлагаемого технического решения является ЭУ высотного дирижабля, предложенная в патенте США [1].

Энергоустановка состоит из солнечных батарей, расположенных на внешней оболочке дирижабля, электрического двигателя, водородно-воздушного двигателя внутреннего сгорания, аккумуляторной батареи, электролизера с теплообменником, блока хранения и подачи водорода.

Энергоустановка работает следующим образом: солнечные батареи днем снабжают электрический двигатель дирижабля, обеспечивающий его поступательное движение. Для движения ночью используется водородно-воздушный двигатель внутреннего сгорания, водород для которого ночью поступает из несущей оболочки. Пополнение водорода в несущей оболочке обеспечивается работой в ночное время электролизера воды, для чего часть электрической энергии, вырабатываемой днем, накапливается в электрическом аккумуляторе. В электролизере вода разлагается на водород и кислород. Вода конденсируется из выхлопных паров водородного двигателя. Вырабатываемый водород накапливается в несущей оболочке, кислород выбрасывается.

Недостатками как устройства, так и способа его эксплуатации являются:

- низкий КПД (~1%) преобразования первичной энергии в электрическую, поскольку преобразование осуществляется в 4 стадии - солнечная батарея (КПД 10%), электрический аккумулятор (КПД 90%), электролизер (КПД 70%), двигатель внутреннего сгорания (на высоте 20 км менее 15%), что значительно увеличивает требуемую массу солнечной батареи;

- необходимость отбора водорода из несущей оболочки для питания водородного двигателя в ночной период не позволяет использовать это решение в современных гелиевых и гелий-водородных (водород до 15%) дирижаблях.

Более близкими к предлагаемому решению является энергоустановка дирижабля [2], содержащая солнечную батарею, электрический привод винта с блоком управления, электрически соединенный с солнечной батареей, электролизер, электрически соединенный с солнечной батареей, электрохимический генератор, электрически соединенный с блоком управления электрического привода винта, блоки хранения и подачи водорода и кислорода, пневматически соединенные с электрохимическим генератором и электролизером, блок хранения и подачи воды, гидравлически соединенный с электрохимическим генератором и с электролизером, насос.

В данном случае исключаются недостатки, присущие ЭУ с водородным ДВС: КПД, ресурс и надежность ЭХГ гораздо выше, он не имеет подвижных частей, полностью используется кислород, вырабатываемый в электролизере, и т.д.

Энергоустановка работает следующим образом: солнечные батареи днем для перемещения дирижабля в окружающей среде снабжают электроэнергией электрический двигатель дирижабля, а также электролизер, в котором вода разлагается на водород и кислород. Для движения ночью используется электроэнергия, получаемая в результате химической энергии соединения водорода с кислородом в топливных элементах, поступающая от водородно-кислородного электрохимического генератора, в котором химическая энергия соединения кислорода с водородом преобразуется в электрическую энергию с образованием воды.

Недостатком как устройства, так и способа эксплуатации прототипа является ограниченная мощность энергоустановки дирижабля, не позволяющая произвести его подъем и посадку.

Для дирижабля при наборе высоты и при спуске необходима мощность, которая значительно выше мощности, необходимой при штатной эксплуатации на заданной высоте.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение общей эффективности энергоустановки для дирижабля.

Технический результат достигается тем, что в регенеративную энергоустановку для дирижабля, предназначенную для перемещения его в окружающей среде, содержащую солнечную батарею, электрический привод винта с блоком управления, электрически соединенный с солнечной батареей, электролизер, электрически соединенный с солнечной батареей, электрохимический генератор, электрически соединенный с блоком управления электрического привода винта, блоки хранения и подачи водорода и кислорода, пневматически соединенные с электрохимическим генератором и электролизером, блок хранения и подачи воды, гидравлически соединенный с электрохимическим генератором и электролизером, насос, введены камера смешивания, камера сгорания, турбина, на валу которой установлены компрессор и электрогенератор, регенеративный теплообменник и теплообменник-влагоотделитель, в котором установлен датчик уровня воды, соединенный каналами управления с насосом, при этом выход кислорода из электрохимического генератора соединен с первым входом в камеру смешивания, второй вход в камеру смешивания соединен с первым выходом регенеративного теплообменника, выход из камеры смешивания соединен с первым входом в камеру сгорания, второй вход в камеру сгорания соединен с выходом водорода из электрохимического генератора, выход из камеры сгорания соединен с входом в турбину, выход из турбины соединен с первым входом регенеративного теплообменника, второй вход в регенеративный теплообменник соединен с выходом воздуха из компрессора, второй выход регенеративного теплообменника соединен с входом газа теплообменника-влагоотделителя, выход воздуха из теплообменника-влагоотделителя соединен с входом воздуха в компрессор, выход воды из теплообменника-влагоотделителя соединен через насос с блоком хранения и подачи воды, а выход электрогенератора электрически соединен с блоком управления электрического привода винта.

Указанный технический результат достигается также и тем, что в способе эксплуатации регенеративной энергоустановки для дирижабля, предназначенной для перемещения его в окружающей среде, перемещение дирижабля осуществляют за счет электрической энергии, получаемой от солнечной батареи и от электрохимического генератора, при этом вертикальное перемещение дирижабля осуществляют за счет регенеративной энергоустановки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема предлагаемой установки, где обозначено:

1 - солнечная батарея; 2 - блок управления; 3 - электрический привод винта; 4 - электролизер; 5 - электрохимический генератор (ЭХГ); 6 - блок хранения и подачи водорода; 7 - блок хранения и подачи кислорода; 8 - блок хранения и подачи воды; 9 - камера смешивания; 10 - камера сгорания; 11 - турбина; 12 - компрессор; 13 - электрогенератор; 14 - регенеративный теплообменник; 15 - теплообменник-влагоотделитель; 16 - насос; 17 - датчик уровня воды.

Регенеративная энергоустановка для дирижабля, предназначенная для перемещения его в окружающей среде, содержит солнечную батарею 1, подключенную к электролизеру 4 и к блоку управления 2 электрического привода винта 3. К блоку управления 2 подключены электрохимический генератор 5, электрогенератор 13. Блок управления 2 обеспечивает управление подачей электроэнергии в электрический привод винта 3. Электролизер 4 и электрохимический генератор 5 пневматически соединены с блоком хранения и подачи водорода 6 и кислорода 7, а гидравлически - с блоком хранения и подачи воды 8. Выход кислорода из электрохимического генератора 5 соединен с первым входом в камеру смешивания 9. Второй вход в камеру смешивания 9 соединен с первым выходом регенеративного теплообменника 14. Выход из камеры смешивания 9 соединен с первым входом в камеру сгорания 10. Второй вход в камеру сгорания 10 соединен с выходом водорода из электрохимического генератора 5. Выход из камеры сгорания 10 соединен с входом в турбину 11, выход из которой соединен с первым входом регенеративного теплообменника 14. Второй выход регенеративного теплообменника 14 соединен с входом газа теплообменника-влагоотделителя 15, а выход воздуха из теплообменника-влагоотделителя соединен с входом воздуха в компрессор 12, выход воды из теплообменника-влагоотделителя 15 соединен через насос 16 с блоком хранения и подачи воды 8. Второй вход в регенеративный теплообменник 14 соединен с выходом воздуха из компрессора 12, а выход электрогенератора 13 соединен электролиниями с блоком управления 2 электрического привода винта 3. В теплообменнике-влагоотделителе 15 установлен датчик уровня воды 17, соединенный каналами управления с насосом 16.

Энергоустановка работает следующим образом.

При нахождении ВД на земле, в период наземной подготовки, производят заправку блока хранения и подачи водорода 6 газообразным водородом, а блока хранения и подачи кислорода 7 газообразным кислородом максимально допустимым давлением, например 30 МПа, и при температуре, например, минус 50°С. При старте открываются клапаны подачи водорода, входящие в блок подачи водорода 6, и клапаны подачи кислорода, входящие в блок подачи кислорода 7. В результате этого водород и кислород поступают в электрохимический генератор 5, где часть водорода и кислорода в результате химического соединения кислорода и водорода превращается в воду, которая поступает в блок хранения и подачи воды 8, с образованием электричества, которое поступает в блок управления 2. Часть кислорода, которая не вступила в реакцию с водородом, после выхода из электрохимического генератора 5 поступает в камеру смешивания 9, где смешивается с воздухом, поступающим из регенеративного теплообменника 14. Часть водорода, которая не вступила в реакцию с кислородом, после выхода из электрохимического генератора 5 поступает в камеру сгорания 10, где происходит горение (соединение) водорода с кислородом, поступающим из камеры смешивания 9, с образованием продуктов сгорания кислорода и водорода и избытка воздуха (парогазовой смеси) с высокой температурой (~1000°С), теплота которого используется для вращения турбины 11, на валу которой установлены компрессор 12 и электрогенератор 13. Электричество, вырабатываемое электрогенератором 13, поступает в блок управления 2, куда поступает также электричество из солнечной батареи 1. Таким образом, на блок управления 2, который обеспечивает управление подачей электроэнергии на электрический привод винта 3, подается электричество от трех источников: солнечной батареи 1, электрохимического генератора 4 и электрогенератора 13. Это позволяет обеспечить подъем дирижабля на заданную высоту. Парогазовая смесь, выходящая из турбины, сначала поступает в регенеративный теплообменник 14, где обеспечивает подогрев воздуха, который выходит из компрессора 12, нагревая этот воздух перед подачей его в камеру смешивания 9, затем парогазовая смесь поступает в теплообменник-влагоотделитель 15, где происходит конденсация пара и отделение пара от жидкости, которая насосом 16, работающим по сигналам, поступающим по каналам управления от датчика уровня воды 17, подается в блок хранения и подачи воды 8. Это значительно увеличивает температуру воздуха, поступающего в камеру сгорания 10, и обеспечивает необходимый запас воды, что повышает эффективность энергоустановки.

После подъема дирижабля на высоту днем одну часть электроэнергии от солнечных батарей 1 направляют через блок управления 2 на электрический привод винта 3, а другую часть - на разложение в электролизере 4 воды на водород и кислород, которые поступают соответственно в блок хранения и подачи водорода 6 и в блок хранения и подачи кислорода 7.

После заполнения блока подачи хранения и подачи водорода 6 водородом, а блока хранения и подачи кислорода 7 кислородом ночью из этих блоков хранения обеспечивается подача компонентов в ЭХГ. В результате химического соединения компонентов образуется вода и электроэнергия, которая используется для питания электрического привода винта 3 через блок управления 2. Образовавшаяся вода из ЭХГ поступает в блок хранения и подачи воды 8.

При спуске с высоты на электрический привод винта 3 через блок управления 2 электричество подается от трех источников: солнечной батареи 1, электрохимического генератора 4 и электрогенератора 13. Это позволяет обеспечить спуск дирижабля на землю, преодолевая сопротивление воздуха.

Литература

1. Патент США №5348254, МПК⁷ В64В 1/06, В64В 1/58, 1994 г.

2. Журнал NASA AIAA 2003, №6088, 1st International Energy Conversion Engineering Conference 17-21 August 2003, Portsmouth, Virginia, c.1-8 (копия прилагается).

1. Регенеративная энергоустановка для дирижабля, предназначенная для перемещения его в окружающей среде, содержащая солнечную батарею, электрический привод винта с блоком управления, электрически соединенный с солнечной батареей, электролизер, электрически соединенный электролиниями с солнечной батареей, электрохимический генератор, электрически соединенный электролиниями с блоком управления электрического привода винта, блоки хранения и подачи водорода и кислорода, пневматически соединенные с электрохимическим генератором и электролизером, блок хранения и подачи воды, гидравлически соединенный с электрохимическим генератором и электролизером, насос, отличающаяся тем, что в нее введены камера смешивания, камера сгорания, турбина, на валу которой установлены компрессор и электрогенератор, регенеративный теплообменник и теплообменник-влагоотделитель, в котором установлен датчик уровня воды, соединенный каналами управления с насосом, при этом выход кислорода из электрохимического генератора соединен с первым входом в камеру смешивания, второй вход в камеру смешивания соединен с первым выходом регенеративного теплообменника, выход из камеры смешивания соединен с первым входом в камеру сгорания, второй вход в камеру сгорания соединен с выходом водорода из электрохимического генератора, выход из камеры сгорания соединен с входом в турбину, выход из турбины соединен с первым входом регенеративного теплообменника, второй вход в регенеративный теплообменник соединен с выходом воздуха из компрессора, второй выход регенеративного теплообменника соединен с входом газа теплообменника-влагоотделителя, выход воздуха из теплообменника-влагоотделителя соединен с входом воздуха в компрессор, выход воды из теплообменника-влогоотделителя соединен через насос с блоком хранения и подачи воды, а выход электрогенератора электрически соединен электролиниями с блоком управления электрического привода винта.

2. Способ эксплуатации регенеративной энергоустановки для дирижабля, предназначенной для перемещения его в окружающей среде, при котором перемещение дирижабля осуществляют за счет электрической энергии, получаемой от солнечной батареи и электрохимического генератора, отличающийся тем, что при этом вертикальное перемещение дирижабля осуществляют за счет регенеративной энергоустановки для дирижабля по п.1.