В последние годы во многих странах проявляется большой интерес к электрохимическим генераторам (ЭХГ). Этот интерес обусловлен перспективностью их применения в различных областях современной техники.
Появилась возможность создания новых типов гребных электрических установок (ГЭУ), использующих непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Внедрение ЭХГ на судах открывает перспективы для коренного изменения компоновки энергетических отсеков, так как в ряде случаев может отпасть необходимость в турбо- и дизель-генераторах, паропроводах и т. п.
Применение ЭХГ в ГЭУ благодаря их статическому принципу работы обеспечивает более высокую надежность и долговечность установки, открывает возможности получения высоких к. п. д. (выше 50%), недостижимых в лучших по экономичности ГЭУ. Заметим, что на современных судах к п д. ГЭУ, использующих паромеханический цикл, не превышает 20%.
Новые технические возможности привлекли большое внимание специалистов к разработке ЭХГ для электродвижения. В отличие от обычных аккумуляторов в ЭХГ применяются, как правило, дешевое топливо и окислитель, которые непрерывно подаются в систему.
По своим возможностям ЭХГ способны обеспечить более высокую удельную энергию, чем современные аккумуляторы. Так, если теоретическая удельная энергия свинцово-кислотного аккумулятора составляет 175 вт-ч/кг, никель-кадмиевого — 219, серебряно-цинкового — 478, то теоретическая удельная энергия водородно-кислородного ЭХГ достигает 3660 вт-ч/кг.
Возможность непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую в ЭХГ обусловлена тем, что сущность химической реакции между некоторыми соединениями заключается в отдаче или приобретении электронов с соответствующим тепловым эффектом. Для управления движением электронов данные химических реакций с помощью промежуточной среды — электролита — разделяются на две части.
Первая часть реакции состоит в отделении от молекул или атомов их электронов на отрицательном электроде, а вторая — в соединении электронов с атомами на положительном электроде. На пути между электродами электроны улавливаются, им придают желательные направления и скорости и снимается их электрическая энергия.
Таким образом, конструктивно ЭХГ представляет собой статический элемент, состоящий из корпуса, положительного и отрицательного электродов, разделенных электролитом. К электродам, как правило, подаются топливо и окислитель.
Для многих типов ЭХГ, описанных в литературе, электроды состоят из пористых твердых веществ (уголь, никель и др.), а электролитами могут являться водные растворы щелочей, специальные ионообменные мембраны, плавление соли и т. д.
Наиболее перспективными считают низкотемпературные ЭХГ, работающие при температуре ниже 250°С. При этом наилучшими рабочими характеристиками обладают водородно-кислородные ЭХГ, использующие в качестве топлива водород, а окислителя — кислород или воздух. Ряд достоинств ЭХГ делает их перспективными источниками электрической энергии ГЭУ. Такими достоинствами являются: компактность ЭХГ и возможность более рационального использования полезного объема судна, высокий к. п. д., отсутствие шума при работе, более высокая надежность и долговечность и т. д.
Применение ЭХГ упрощает схему электродвижения и принципиально выгодно в энергетическом отношении. В самом общем виде ГЭУ с ЭХГ будет состоять из электрогенерирующей части, включающей одну или несколько батарей ЭХГ (в зависимости от типа судна), электродвигательной части, включающей гребные электродвигатели, работающие на гребные винты, и щиты электродвижения. Управление скоростью судна при использовании ЭХГ в принципе возможно как за счет изменения напряжения ЭХГ путем воздействия на их рабочие параметры (температура, давление, концентрация электролита), так и применения комбинированного способа регулирования скорости гребных электродвигателей постоянного тока. Для расширения диапазона регулирования могут применяться оба способа регулирования одновременно.
Большой практический интерес представляет схема ГЭУ, состоящая из ЭХГ и короткозамкнутого асинхронного электродвигателя, в которой для преобразования постоянного тока в переменный могут быть применены управляемые кремниевые вентили. Отличаясь простотой и надежностью, схема позволяет обеспечить плавное изменение скорости хода с диапазоном регулирования 1:10.
Следует отметить, что возможность отключения отдельных групп ЭХГ в ГЭУ с ЭХГ при различных скоростях позволит поддерживать наиболее экономичный режим работы ЭХГ.
Для количественной оценки целесообразности применения ЭХГ в ГЭУ на кафедре электродвижения ЛВИМУ имени адмирала Макарова были проработаны варианты ГЭУ с ЭХГ для портового морского буксира водоизмещением 302 т и сухогрузного судна водоизмещением 1914 т.
Энергетическая установка указанных судов состоит из двух дизелей марки 6ДР 30/50 мощностью 600 л. с. каждый, работающих на гребные винты. Проработка размещения ГЭУ с ЭХГ на сухогрузном судне показала, что при замене дизельной установки ГЭУ с ЭХГ представляется возможным уменьшить длину машинного отделения на 2 м, сэкономить полезный объем 68 м3 и сократить количество обслуживающего персонала на 4 человека.
Проработки показали, что замена дизельных или дизель-электрических установок ГЭУ с ЭХГ позволит добиться более высокой экономической эффективности некоторых типов судов. Применение ЭХГ в ГЭУ обеспечивает высокую эффективность использования топлива и, следовательно, более высокий к. п. д. установки. Расчеты показали также, что даже при температуре тепловой машины порядка 1000°С ЭХГ, используемый при низкой температуре, обеспечивает более высокий к. п. д. Расчеты подтверждают, что электрохимические генераторы могут работать с к. п. д. 50—90%, что значительно выше к. п. д. тепловых машин. Как известно, к. п. д. современных дизелей составляет 27—40, а паровых турбин 25—30%. Следовательно, если принять суммарный к. п. д. гребного электродвигателя и линии вала 90%, то применение ЭХГ в ГЭУ позволит повысить к. п. д. установки до 50% и выше в зависимости от рабочей плотности тока ЭХГ.
В заключение необходимо подчеркнуть, что ЭХГ являются перспективными источниками электрической энергии ГЭУ специальных классов морских и речных судов. Применение ГЭУ с ЭХГ на этих судах обеспечит более рациональное использование их полезного объема, высокую маневренность, уменьшение количества обслуживающего персонала и более высокую экономическую эффективность, высокую надежность и долговечность ГЭУ, уменьшение шумности и, следовательно, создание более благоприятных условий для обслуживающего персонала.
Проведенная проработка показала особую целесообразность применения ГЭУ с ЭХГ на судах, для которых автономность плавания не превышает 150—200 час. На таких судах вопросы рационального использования полезного объема и высокой надежности ГЭУ выступают на первый план.
