Электрохимические генераторы при возникновении чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ВОЕННЫХ АЭРОДРОМАХ

С.Д. Винокуров, научный сотрудник, к.т.н., В.Д. Винокуров, преподаватель, к.т.н., ВУНУ ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского

и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж Ю.Н. Шалимов, главный технолог отдела, д.т.н., профессор,

ОАО «НКТБ «Феррит», г. Воронеж

При возникновении чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах электрические сооружения и сети могут получить различные разрушения и повреждения. Их наиболее уязвимыми частями являются наземные сооружения (электростанции, подстанции, трансформаторные станции), воздушные линии электропередач и автопарки. Для сохранения работоспособности системы электроснабжения аэродромов целесообразно использовать автономные аварийные источники электрической энергии для питания наиболее важных военных объектов [1, 2].

Особенностью использования таких энергоустановок при возникновении чрезвычайных ситуаций на аэродромах является необходимость работы в условиях возникновения пожаров и взрывов, высокого загрязнения окружающей среды, что значительно затрудняет проведение аварийно-спасательных и восстановительных работ.

В настоящее время на аэродромах в качестве автономных источников электроэнергии используются дизель-генераторные установки, преобразующие механическую энергию двигателей внутреннего сгорания в электрическую в генераторах тока. Однако данные мобильные средства имеют высокие массо-габаритные параметры, высокий уровень шума, требуют больших эксплуатационных затрат на обслуживание в процессе работы и при хранении, большое время для выхода на рабочий режим. Поэтому вопрос об использовании автономного источника энергии, исключающего указанные недостатки остается актуальным.

В работах [3, 4] указывается на целесообразность использования электрохимических генераторов (ЭХГ) на топливных элементах на средствах энергоснабжения авиации. В них используется прямое преобразование химической энергии в электрическую, отсутствуют трущиеся детали, они экологически чисты, экономически перспективны. Они легче и занимают меньший объем, чем традиционные источники, бесшумны, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения преобразования топлива. Данный источник целесообразно применять для обеспечения электроэнергией важных военных объектов на аэродроме в случае чрезвычайных ситуаций, а также питания оборудования спасательных средств. Такой источник способен к блочно-модульной конструкции, имеет невысокие массо-габаритные параметры, что позволит ему размещаться в контейнерах любой формы и

перевозиться его вертолетами МЧС в зону возникновения чрезвычайных ситуаций.

Основным требованием при выборе типа топливного элемента для энергетических установок, работающих в условиях чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах являются надежность, радиационная стойкость, долгосрочность работы, быстрое время ввода в эксплуатацию и выхода на режим. Всем этим требованиям удовлетворяют ЭХГ на топливных элементах.

Однако, последнему требованию наиболее всего удовлетворяют низкотемпературные топливные элементы (ТЭ), работающие при комнатной температуре, тем самым не требующие длительного времени для выхода на рабочий режим и дополнительных затрат на разогрев электролита. К ним относятся щелочные и твердополимерные ТЭ.

В щелочных ТЭ в качестве реагентов используются чистый водород и кислород. В качестве электролита используется щелочные растворы, капиллярные мембраны, пропитанные КОН, и ионообменные мембраны катионного типа. Щелочные растворы обладают высокой электрической проводимостью, в элементах можно использовать относительно недорогие конструкционные материалы. Однако недостатком щелочных электролитов является их карбонизация углекислым газом. В последнее время проводятся работы по улучшению параметров щелочных ТЭ и по созданию энергоустановок на их основе, работающих на недорогом топливе и воздухе [5].

В твердополимерных ТЭ электролитом служит ионообменная мембрана, обладающая проводимостью по ионам водорода. Так как электролит имеет кислотный характер, то в данном типе ТЭ возможно применение воздуха и технического водорода, что позволит снизить стоимость и упростить конструкцию всей энергоустановки. Однако при эксплуатации твердополимерных ТЭ возможно отравление катализатора монооксидом углерода, который может присутствовать в анодных газах после конверсии топлива. К тому же проблемным вопросом остается регулирование влажности мембраны, так как при недостатке воды снижается электропроводность мембраны, а при избытке воды ухудшаются характеристики катода.

Повышение скорости электродных реакций без использования дорогостоящих катализаторов можно добиться повышением температуры работы топливного элемента либо использованием высокоактивных реагентов, например гидразина. Повышение температуры требует создания дополнительных разогревающих устройств, что снижает удельные характеристики электрохимического генератора, а использование токсичного гидразина делает установку опасной и повышает ее стоимость.

В твердооксидных топливных элементах удается получить плотность

Л

тока 0,5А/см при напряжении 0,8 В [2, 5]. При создании энергетических установок на топливных элементах при возникновении чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах достаточно создать модули, имеющие 20 кВт электрической энергии, а при необходимости потребления больших мощностей - соединять их между собой определенным образом. Так, например,

дальнейшее увеличение мощности при постоянном напряжении может быть достигнуто параллельным соединением модулей.

Для непрерывной работы ЭХГ помимо блока топливных элементов необходимы системы хранения, подготовки и подачи топлива и окислителя, системы отвода продуктов реакции и тепла, автоматической системы контроля электрических параметров генератора. Эти системы необходимо рассматривать в совокупности с блоками топливных элементов, так как анализ работы и оптимизация параметров всей энергетической установки возможна при учете взаимного влияния всех компонентов.

Запас реагентов в системе хранения определяется мощностью и временем работы электрохимического генератора между заправками. Масса реагентов зависит от их агрегатного состояния и способа их хранения. Так для хранения газообразных реагентов используются стальные баллоны. Для снижения массы тары целесообразно хранить реагенты в криогенном состоянии либо путем связанного хранения в виде химических соединений. Расчет показывает, что при мощности 20 кВт и времени работы 2 часа потребуется 2 кг водорода и 15 кг кислорода. Для хранения такого количества реагентов потребуется по 2 баллона.

Для спасательного оборудования требуются компактные источники электроэнергии, способные выдавать переменный ток 220 В и постоянный ток 12В. Вариант структурной схемы авиационной электрохимической энергоустановки показан на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема энергетической установки на топливных элементах при возникновении чрезвычайных ситуаций на военных аэродромах

Развитие энергоустановки на топливных элементах может иметь структуру, представленную на рисунке 2. Блоки датчиков встроены в ТЭ, с выходов которых электроэнергия поступает на коммутатор, в котором посредством включения и выключения управляемых ключей формируется выходное значение по напряжению для питания постоянным или переменным током. Поддержание электрических параметров постоянного тока в требуемых значениях осуществляется блоком контроля, управления и защиты через коммутатор. Встроенные датчики формируют данные блоку контроля,

управления и защиты о текущем состоянии ТЭ, выдают характеристики рабочих параметров топливных элементов.

Рис. 2. Структурная схема многоуровневой энергетической установки на топливных элементах для питания спасательного оборудования при возникновении чрезвычайных ситуаций. 1 - топливный элемент; 2 - блоки датчиков; 3 - мостовые инверторы; 4,6 - коммутаторы; 5 - блок управления, контроля и защиты

Проведенный анализ показывает, что в качестве аварийного источника энергии в зоне чрезвычайных ситуаций, возможно использовать топливные элементы. Усовершенствование конструкции ТЭ внедрением в их состав микроконтроллера и совместным использованием многоуровневого преобразования позволяет создавать энергетические установки, способные работать в зонах бедствий. Особенностью работы таких энергоустановок является то, что топливные элементы не требуют обслуживания в процессе хранения, ресурс их работы достигает 30-40 тысяч часов, а потребление реагентов происходит только при выработке электрического тока, процесс саморазряда ничтожно мал.

В целях устойчивой работы энергетических установок на топливных элементах в зоне чрезвычайных ситуаций целесообразно использовать автономные системы хранения топлива и окислителя, чтобы исключить попадание пыли и других газов в зону реакции, что приводит к снижению характеристик и потере его работоспособности.

Список использованной литературы

1. Кукин П.П. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств (Охрана труда): Учеб. пособ. для вузов / П.П. Кукин, В.Л. Лапин, Е.А. Подгорных и др. - М.: Высш. шк., 1999. -318 с.

2. Безопасность жизнедеятельности: Учеб. / Под ред. С.В. Белова. - М.: Высш. шк., 1999. - 448 с.

3. Винокуров С.Д. Топливный элемент - источник электрической

248

энергии на средствах энергоснабжения авиации / С.Д. Винокуров, И.К. Шуклин, В.В. Волков // Матер. V Всерос. науч.-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2009» (12-13 октября 2009 г.). - Т. 1. - Казань: КГТУ, 2009. - С. 461-466.

4. Винокуров С.Д. Концептуальный подход к усовершенствованию генераторов средств обеспечения энергией использованием топливных элементов / С.Д. Винокуров, И.К. Шуклин, В.В. Волков // Труды ХХ1Х Всерос. науч.-техн. конф «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем» (24-25 июня 2010 г.). - №3. - Серпухов: СВИРВ, 2010. - С. 112-116.

5. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки / Н.В. Коровин. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 280 с.

ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ СРЕДСТВ

Г.И. Груздев, заместитель начальника кафедры, Воронежский институт МВД России, г. Воронеж

В современном учебно-воспитательном процессе образовательных организаций системы МВД России нет задачи более важной и одновременно более сложной, чем организация самостоятельной работы курсантов и слушателей. Важность этой проблемы связана с новой ролью самостоятельной работы, которую она приобретает в связи с переходом на деятельностную парадигму образования. В результате этого перехода самостоятельная работа становится ведущей формой организации учебного процесса, и вместе с этим возникает проблема ее активизации.

Активизировать самостоятельную работу - значит значительно повысить ее роль в достижении новых образовательных целей, придав ей проблемный характер, мотивирующий обучаемых на отношение к ней как к ведущему средству формирования учебной и профессиональной компетенции [1].

Самостоятельная работа курсанта - это планируемая работа, выполняемая по заданию и при методическом руководстве преподавателя, но без его непосредственного участия. Она способствует углублению и расширению знаний, формированию интереса к познавательной деятельности, овладению приемами процесса познания, развитию познавательных способностей. Самостоятельная работа обладает огромным дидактическим потенциалом, поскольку в ее ходе происходит не только усвоение учебного материала, но и его расширение, формирование умения работать с различными видами информации, с новыми современными техническими средствами обучения.

Приступая к исследованию эффективности использования на учебных занятиях по физической подготовке, а также в самостоятельной работе