Гибридная силовая установка для транспортных средств
HYBRID POWER PLANT FOR VEHICLES

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно, к гибридным электрическим силовым установкам и предназначено для использования в системах электродвижения перспективных летательных аппаратов, в частности, полностью электрифицированного самолета, морских судов, а также колесного и рельсового наземного транспорта. При этом наиболее жесткие требования к величине удельной мощности силовой установки предъявляются в системах аэроэлектродвижения. В связи с этим ниже рассматривается вариант силовой установки для летательного аппарата (ЛА).
В настоящее время наиболее перспективной технологией, направленной на преодоление недостатков существующих систем движения ЛА (наличие вредных выбросов, повышенный уровень шума, высокий расход авиатоплива), является концепция полностью электрического самолета (ПЭС) с электрической силовой установкой в качестве источника движения, когда питание электродвигателя осуществляется от аккумуляторной батареи или от батарей солнечных или топливных элементов и электрических генераторов с приводом например, от двигателей внутреннего сгорания (гибридная силовая установка - ГСУ). Причем для длительного полета пассажирского или транспортного ЛА пригодна только ГСУ
Известны гибридные электрические силовые установки: Патент RU 2497723 Летательный аппарат с гибридным питанием энергией. Опубликовано: 10.11.2013 Бюл. №31; Патент WO 2018175349 HYBRID-ELECTRIC AIRCRAFT, AND METHODS, APPARATUS AND SYSTEMS FOR FACILITATING SAME.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является гибридная силовая установка, приведенная в Трудах ЦАГИ (см. Дунаевский А.И., Редькин А.В. Перспективы применения гибридных и электрических силовых установок на самолетах малой авиации. Концептуальные исследования гражданских воздушных судов / Сб. статей под. ред. А.И. Дунаевского. - Труды ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. М.: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского», 2015, вып. 2749. стр. 60, рис. 4), содержащая двигатель внутреннего сгорания, топливную систему, накопительную систему аккумулирования энергии, генератор электрической энергии, электродвигатель, соединительные кабели, дополнительные альтернативные источники энергии (топливные элементы, батарея солнечных элементов), блок распределения энергии, контроллеры и преобразовательные устройства.
Однако, приведенным известным силовым установкам присущ ряд недостатков: низкие значения удельной мощности (ниже, чем аналогичные показатели у существующих газотурбинных авиадвигателей), массогабаритных показателей, КПД. Это объясняется, в частности, невысокими значениями этих показателей входящих в установки компонентов (традиционных авиационных электрических машин, преобразовательных устройств, силовых кабелей).
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания энергетически более эффективной и экологически чистой силовой установки для транспортных систем.
Поставленная задача решается за счет того, что заявляемая гибридная силовая установка включает преобразователь первичной энергии в механическую (ППЭМ) с первичным источником энергии (ПИЭ), где в качестве преобразователя может быть двигатель внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинный двигатель (ГТД), турбовинтовой двигатель (ТВД), турбореактивный двигатель (ТРД) и др. В качестве ПИЭ используется, например, химическое, ядерное топливо и др. ГСУ также содержит генератор электрической энергии, один или несколько электродвигателей, соединительные кабели, альтернативные источники энергии, накопительную систему аккумулирования энергии блок распределения энергии, контроллеры и преобразовательные устройства. Дополнительно содержит блоки криоохлаждения соединительных кабелей силовой установки, выполненных из сверхпроводникового материала, блоки криоохлаждения вентилей преобразовательных устройств, блоки криоохлаждения электрогенератора и электродвигателей, которые содержат обмотки якоря и возбуждения, выполненные из сверхпроводникового материала.
Блоки криоохлаждения соединительных кабелей силовой установки, вентилей преобразовательных устройств, а также обмоток якоря и возбуждения электрогенератора и электродвигателей объединены в единую систему криогенного обеспечения.
2
В качестве сверхпроводникового материала соединительных кабелей силовой установки, а также обмоток якоря и возбуждения электрогенератора и электродвигателей используется сверхпроводниковый материал в виде длинномерных композитов на базе либо низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), либо высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), либо интерметаллического соединения диборид магния (MgB).
Электрогенератор и электродвигатели снабжены механическими передаточными устройствами (редукторы или мультипликаторы) для согласования с параметрами нагрузки.
Техническим результатом осуществления заявленного изобретения является повышение удельной мощности, улучшение массогабаритных показателей, повышение КПД.
Достижение сформулированного выше технического результата может быть осуществлено, как указывалось выше, за счет использования наиболее перспективной в настоящее время в сфере авиационной энергетики концепции полностью электрического самолета с ГСУ.
Практическая реализация ПЭС с ГСУ целесообразна в случае, если электродвигатели и другие входящие в ГСУ компоненты будут иметь более высокие массоэнергетические показатели, в частности удельную мощность, чем авиационные турбовентиляторные двигатели.
У традиционных авиационных электродвигателей удельная мощность составляет примерно 2,5 кВт/кг (у опытных образцов до 5 кВт/кг). Эти показатели у турбовентиляторных двигателей составляют 3-8 кВт/кг, что делает нецелесообразным использование в ГСУ традиционных электрических машин с медными обмотками.
В настоящее время сверхпроводниковые электродвигатели, могут иметь удельную мощность 10-15 кВт/кг и удельный момент свыше 35 Нм/кг. Таким образом, возможность создания ПЭС на электрической тяге можно обеспечить только применением электрических машин на базе сверхпроводников.
Сверхпроводниковые электрические машины по сравнению с машинами традиционного исполнения обладают рядом преимуществ: улучшенными массогабаритными параметрами (минимум в 2 раза); более высоким КПД; меньшими значениями индуктивных параметров; меньшим уровнем шума; лучшей стабильностью при работе в электросетях.
Как показали расчеты, результаты которых приведены на фиг. 1 (см. Пенкин В.Т., Ковалев К.Л. Синхронные электрические машины с композитными и объемными сверхпроводниками в роторе для транспортных систем. - М.: Изд-во МАИ, 2018. - 216 с., стр. 31, рис. 3.2) переход к НТСП и ВТСП обмоткам синхронных машин позволяет существенно увеличить удельную мощность машин. Так, если для машины авиационного назначения мощностью порядка 1 МВА можно достичь удельной массы 0,1-0,15 кг/кВт (что соответствует удельной мощности 7-10 кВт/кг) с НТСП обмоткой возбуждения, то для полностью сверхпроводниковой машины с ВТСП обмотками якоря и возбуждения при водородном охлаждении этот параметр составит величину менее 0,025 кг/кВт (что соответствует удельной мощности ~ 40 кВт/кг).
На фиг. 2 приведены сравнительные характеристики электрических машин (традиционного исполнения и сверхпроводниковых) с газотурбинными двигателями. Видно, что полностью сверхпроводниковые электрические машины превосходят по удельной мощности газотурбинные двигатели (в перспективе до трех раз) и существенно превосходят традиционные электрические машины (см. Ковалев К.Л., Пенкин В.Т., Иванов Н.С. и др. Перспективы применения сверхпроводниковых устройств на борту полностью электрического самолета с гибридной силовой установкой. - Электричество, 2018, №10, с. 45-53.
2
В качестве сверхпроводникового материала обмоток якоря и возбуждения электрогенератора и электродвигателей возможно использование длинномерных композитов на основе НТСП, ВТСП первого и второго поколений и диборида магния (MgB) в виде проводов, лент. Каждый из указанных видов сверхпроводниковых материалов обладает теми или иными достоинствами и недостатками, определяемыми их электрическими, прочностными или стоимостными характеристиками. Как показывают расчеты и экспериментальные исследования (см. Berg R. Superconducting and cryogenic technology for aircraft propulsion systems. - EUCAS, 2015, France, Lyon, 2015), использование в качестве сверхпроводниковых материалов для обмоток якоря и возбуждения современных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП лент) с высокой токонесущей способностью позволяет достичь наиболее высоких массогабаритных показателей криогенных электрических машин. Что касается диборида магния, то его низкая стоимость позволит существенно удешевить перспективные сверхпроводниковые электрические машины.
Выше указывалось, что наибольшей удельной мощностью обладают полностью высокотемпературные сверхпроводниковые электрические машины. В отличие от прототипа, в предлагаемом изобретении в качестве электрогенератора и электродвигателей используются ВТСП генератор и ВТСП электродвигатели с обмотками якоря и возбуждения на основе высокотемпературных материалов второго поколения с высокой токонесущей способностью, обеспечивая тем самым выполнение заявленных технических результатов в части снижения массы, повышения удельной мощности и КПД ГСУ. При участии авторов был разработан один из возможных вариантов такой электрической машины (см. Патент РФ №169041, Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина / К.Л. Ковалев, И.Н. Кобзева, Ю.И. Кован и др. - Бюл. №7, 2017). На основании результатов расчетов можно сделать вывод, что при температуре жидкого азота (77 К) и выходной мощности более 1 МВт такая машина будет иметь удельную мощность примерно 15 кВт/кг.
Как было показано, достижения в области электромеханики с использованием высокотемпературной сверхпроводимости позволяют создавать реальные образцы электрических генераторов и электродвигателей на мощности в десятки мегаватт при достаточно высоких массоэнергетических показателях.
Применение систем на базе таких устройств требует, как правило, преобразования параметров электроэнергии: выпрямления переменного тока, инвертирования постоянного напряжения, регулирования напряжения и частоты переменного напряжения при вышеуказанных мощностях. Такие преобразователи параметров электроэнергии целесообразно выполнять с применением современных мощных полупроводниковых приборов, в первую очередь диодов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов.
Необходимо отметить, что использование ГСУ на борту летательного аппарата будет целесообразным лишь в том случае, если все входящие в ее состав устройства обладают значительно улучшенными массогабаритными показателями. Устройством, составляющим значительную долю объема и массы всего ГСУ в целом, является блок статического преобразования энергии, построенный с применением полупроводниковых силовых вентилей. Сюда же могут быть отнесены различного рода контроллеры, распределители энергии и прочая аппаратура, содержащая такие вентили.
С целью снижения массы и габаритов преобразовательного блока ГСУ в настоящем изобретении предлагается использовать криогенное охлаждение полупроводниковых вентилей (см. Г.А. Дубенский, К.А. Модестов, Ю.И. Кован К.Л. Ковалев, А.Е. Ларионов. Проблемы криогенного охлаждения полупроводниковых вентилей статических преобразователей - Электричество, 2019, № - принята к публикации).
Ожидаемое повышение удельной мощности статического преобразовательного устройства в условиях криогенного охлаждения определяется, в основном, следующими факторами: снижением массы радиаторов (охладителей) и повышением токовой нагрузки вентилей.
2
4
2
Как известно, площадь поверхности охладителя обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи а. Если при конвективном охлаждении воздухом величина а составляет 5÷30 Вт/мК, то при охлаждении жидким азотом, как показывают проведенные авторами эксперименты, величина коэффициента теплоотдачи возрастает до 10 Вт/мК. Площадь охладителя (а в случае пластинчатого охладителя и его масса) обратно пропорциональна коэффициенту теплоотдачи. Таким образом, криогенное охлаждение существенно снижает массу радиаторов (охладителей), составляющую весьма существенную долю в массе и объеме всего преобразовательного устройства.
п
п
Токовая нагрузка вентиля, как известно, лимитируется предельно допустимой температурой его кристаллического полупроводникового перехода Т[°С]. Величина Т рассчитывается с помощью известного выражения:
п
ос
т
п
Т=Т+R Р,
ос
т
п
где Т - температура окружающей среды, R - полное тепловое сопротивление участка кристалл-окружающая среда, Р - мощность потерь. С учетом потерь от прямого тока I транзистора его допустимая величина может быть определена следующим образом:
п
ос
т
I=(Т-Т)/RΔU,
ос
где ΔU - падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии. Видно, что при отрицательной величине Т (температура хладагента) величина токовой нагрузки транзистора существенно возрастает, а следовательно, снижается масса коммутирующих вентилей, что также способствует повышению удельной мощности статического преобразовательного устройства.
Учитывая результаты проведенных авторами экспериментов, можно сделать предварительную оценку относительной массы полупроводникового преобразователя с криогенным охлаждением. С учетом значительного снижения массы радиаторов и повышения установленной мощности единичного вентиля ожидаемое значение относительной массы преобразователя может составить величину порядка 0,01÷0,02 кг/кВт, что в пересчете на относительную мощность составит величину ~50÷100 кВт/кг. Это более чем на порядок превышает аналогичные показатели традиционных преобразователей.
В заявляемом изобретении предлагается использовать сверхпроводниковые материалы для соединительных кабелей силовой установки в виде длинномерных композитов на базе либо НТСП, либо ВТСП, либо диборида магния. Это позволит снизить общую массу системы распределения электроэнергии, увеличить передаваемую мощность, уменьшить массу защитных устройств. Оценки показывают, что для практической реализации авиаэлектродвижения потребуется значительная мощность (десятки МВА), для передачи которой применение обычных медных кабелей станет невозможным. В настоящее время ВТСП кабели разработаны, испытаны и уже успешно используются в электрических сетях (см. Высоцкий B.C. Крупномасштабные применения сверхпроводимости спустя столетие после ее открытия. - Электричество, 2014,. №11, с. 4-16).
При разработке систем, содержащих наряду с электромеханическими преобразователями также и статические, возникает ряд специфических проблем, решение которых определяет эффективность системы в целом. Одна из основных - приток тепла в холодную зону за счет мощных токовых вводов. Для предотвращения этого необходимо минимизировать количество таких вводов. Для достижения этой цели целесообразно размещение в единой зоне захолаживания, представляющей собой единую систему криогенного обеспечения (СКО), всех функциональных блоков рассматриваемой силовой установки (преобразователи, генератор, двигатели, соединительные кабели). Это приводит к снижению потерь мощности, а следовательно, к повышению КПД всей установки в целом.
На фиг. 1 показана зависимость удельной массы синхронных генераторов от мощности.
На фиг. 2 показана сравнительная характеристика электрических машин и газотурбинных двигателей.
На фиг. 3 показана схема гибридной силовой установки.
1
2
3
4
5
6
7
Гибридная силовая установка содержит: ПИЭ(1) - первичный источник энергии (химической, ядерной, и др); ППЭМ(2) - преобразователь первичной энергии в механическую (в качестве которого может быть ЛВС, ГТД, ТВД, ТРД); Р/М(3,14) - редукторы, мультипликаторы; СПЭГ(4) - сверхпроводниковый электрогенератор; СПК(5,7,11) - сверхпроводниковый силовой кабель; Пр. и контр. (6,12) - преобразователи и контроллеры; БРЗУ(8) - Блок распределения, защиты, управления; СПЭД(13) - сверхпроводниковые электродвигатели; АИЭ(9) - альтернативные источники энергии (батареи на основе топливных и солнечных элементов, ветроэнергетические установки); НЭ(16) - накопительную систему аккумулирования энергии (аккумуляторные батареи); БКО, БКО, БКО, БКО, БКО, БКО, БКО - блоки криохлаждения СПЭГ, СПК, преобразователей, СПЭД; СКО(17) - систему криогенного обеспечения; (15) - движители; (10) - внешние потребители.
Работа ГСУ осуществляется следующим образом. Приводом движителя ЛА является ВТСП электродвигатель (СПЭД). Питание СПЭД, а также прочих потребителей электроэнергии осуществляется от ВТСП генератора (СПЭГ) и от дополнительных источников энергии, в качестве которых используются аккумуляторные батареи, батареи солнечных либо топливных элементов. Приводом СПЭГ является преобразователь первичной энергии в механическую (ППЭМ), с питанием от первичного источника энергии (ПИЭ), которым является топливная система. ППЭМ совместно с ПИЭ представляют собой либо двигатель внутреннего сгорания, либо газотурбинный двигатель, либо турбовинтовой двигатель, либо турбореактивный двигатель. Преобразователи - контроллеры выполняют функции выпрямления, инвертирования напряжения, а также необходимого преобразования параметров электрической энергии (частоты, величины напряжения, стабилизации напряжения и т.д.). Блок распределения, защиты, управления (БРЗУ) служит для распределения электрической энергии между всеми потребителями транспортной системы, защиты потребителей и источников энергии от перегрузок и прочих отклонений от штатного функционирования всех блоков системы, а также для управления процессом перераспределения энергии с целью ее накопления (НЭ) в период минимального потребления и подключения дополнительных мощностей в период повышенной нагрузки. При необходимости между ППЭМ и СПЭГ, а также между СПЭД и нагрузкой устанавливаются механические передаточные устройства (редукторы или мультипликаторы) для согласования с параметрами нагрузки. Электрические соединения между всеми силовыми блоками осуществляются сверхпроводниковыми силовыми кабелями. Все блоки охлаждения функционально объединяются в единую систему криогенного обеспечения (СКО) (см. например, Патент РФ №2616147 Система криообеспечения / В.П. Фирсов, К.Л. Ковалев, И.В. Антюхов и др. - БИ, 2017, №11).
По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в системах электродвижения воздушного, морского, а также наземного транспорта, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.