CC BY
31Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательныхаппаратов
УДК 629.78.001.5
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ХИМИКО-КИНЕТИЧЕСКОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
К. Н. Виноградов1, И. Я. Шестаков1, А. А. Фадеев1, Ц. Г. Надараиа2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2ООО «Конструирование, внедрение образцов новой техники» Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 75 E-mail: V1nogradov-KN@yandex.ru
Оценивается эффект поляризации, возникающий при установке литий-ионных аккумуляторных батарей на вращающуюся платформу.
Ключевые слова: поляризация, литий-ионный аккумулятор, вращающаяся платформа.
PERATION FEATURES OF CHEMICAL-KINETIC ENERGY STORAGE DEVICE
K. N. Vinogradov1, I. Ja. Shestakov1, A. A. Fadeev1, C. G. Nadaraia2
1Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation 2LLC «Design, implementation of new equipment» 75, Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: V1nogradov-KN@yandex.ru
The effect of polarization, that occurs when rechargeable lithium battery are installed on a rotating platform, is assessed.
Keywords: polarization, rechargeable lithium battery, rotating platform.
Разработка конкурентоспособной космической техники требует перехода на новые типы аккумуляторов, отвечающих требованиям систем электроснабжения перспективных космических аппаратов (КА) и средств для их технической подготовки к запуску.
В наши дни КА используются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, освоения и изучения дальнего космоса.
Одним из главных условий, предъявляемых к современным КА, является снижение массы служебных систем. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата. Выход из строя системы электроснабжения влечет за собой выход из строя всего аппарата [1]. Проблемы энерговооруженности космических аппаратов, особенно, разработки новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение.
В работах [2; 3] представлен химико-кинетический накопитель энергии (ХКНЭ) для компенсации пиковых потреблений в нештатных режимах работы КА и для поддержания необходимого электропитания бортовой аппаратуры совместно с системой электропитания спутника.
Важным моментом работы ХКНЭ является эффект поляризации электролита аккумулятора, возникающий при определенном числе оборотов всей установки. Ставится задача расчета частоты вращения ХКНЭ, при которой начнется поляризация. В качестве аккумуляторов предполагается использование литий-ионных элементов.
Частоту вращения электролита в литий-ионном элементе (на основе системы Ы/802), при которой начинается поляризация, авторы [4; 5] предлагают определить следующим образом:
а > 2(1 -аТ)][16п:0ЬтфК х
X ^ - 0^)^ + ги)2]-1}0,5, (1)
где q - электрический заряд тяжелого иона, Кл; Т -абсолютная температура раствора, К; Дш - разность масс гидратированных катиона и аниона, кг; р - линейная концентрация тяжелых ионов, м-1;
р = 10(СМ)1/3, где С - мольная концентрация раствора, моль^л-1; N -число Авогадро, моль-1; И - высота столба раствора, м; К - степень диссоциации электролита, 10-2 %; Я -внутренний радиус емкости, м; а - температурный коэффициент изменения энергии гидратной связи, К-1; е0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Фм1; е - относительная диэлектрическая проницаемость воды; гв - эффективный радиус молекулы воды, м; ги - эффективный радиус тяжелого иона, м.
В рассматриваемом ХКНЭ применяются аккумуляторы на основе системы Ы/802 с неводным электролитом [6]. Наиболее распространенный состав такого электролита - 70-75 % (объемных) 802+(22-17)%-ный ацетонитрил (АН)+8%-ный про-пиленкарбонат (ПК)+1,8 моль/дм3 КВг (для обеспечения электропроводности раствора).
Суммарная реакция - 2П+2802 ^ П28204.
Катодная реакция - 2802+2е-^ 82042.
Разряд на аноде - Ы ^ Ы++ е.
Решетневскуе чтения. 2014
Ввиду отсутствия воды в электролите определим разность масс ионов лития и диоксида серы.
Температурный коэффициент а, учитывающий совокупные энергетические последствия изменения длины гидратных связей, подвижности ионов и молекул воды, для каждого раствора электролита индивидуален и в диапазоне от температуры плавления до температуры кипения в среднем не линейно изменяется от 0,0006 до 0,0018 град-1. Условно принимаем а = 0 [4].
Для экспериментальных работ используется установка, имеющая следующие габаритные размеры:
- радиус вращающейся установки г = 0,25 м;
- высота столба раствора электролита И = 0,1 м.
Плотность 802 в литий-ионном элементе р = 1,46
г/см3, концентрация С = (70-75) %.
Мольную массу (т) (мольную концентрацию (С)) определим по выражению:
10 • С •р
m =-
M
(2)
где М - молярная концентрация, г/моль; С - процентная концентрация, %; р - плотность раствора, г/см3; m - мольная масса.
Степень диссоциации К = 1.
Из справочной литературы массы ионов [7]:
m = M/Na, (3)
где М - молярная масса, г/моль; NA - число Авогадро, моль-1.
m(Li+) = 1,1510-20 кг, m(SO2) = 1,0610-19 кг.
Эффективные радиусы ионов [8]: rB(Li+) = 1,3510-10 м, гИ(802-) = 2,30 10-10 м.
После подстановки в выражение (1) всех величин получим значение частоты вращения ХКНЭ, при превышении которой начнется разложение электролита в литий-ионных аккумуляторах: N = 6769 об/мин.
Полученное значение частоты вращения ХКНЭ является расчётным и в дальнейшем будет проверено экспериментально.
Библиографические ссылки
1. Виноградов К. Н., Виноградова Е. К., Фадеев А. А., Надараиа Ц. Г., Шестаков И. Я. Энергетическая установка космического аппарата с вращающимися аккумуляторными батареями // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы IX Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апреля 2013 г., Красноярск). В 2 т. Т. 1. Технические науки. Информационные технологии. Сообщения школьников / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. С. 175-177.
2. Надараиа Ц. Г., Бабкина Л. А., Шестаков И. Я., Фадеев А. А. Химико-кинетический накопитель энергии // Вестник СибГАУ. 2014. № 2(54). С. 56-61.
3. Vinogradov K. N., Shestakov I. Ya., Strekaleva T. V. The use of chemical-kinetic energy storage for maintenance of peak loadings of the space vehicle // Молодежь. Общество. Современная наука, техника и инновации : материалы XIII Междунар. науч. конф. бакалавров, магистрантов и аспирантов (15 мая 2014, г. Красноярск) / под общ. ред. И. В. Ковалева, М. В. Савельевой, Н. А. Шумаковой ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 227-229.
4. Кудымов Г. И., Студенников В. В. Электроводородный генератор (ЭВГ). Краткое техническое обоснование // МИС-РТ : сборник. М., 1999. № 18-2.
5. Патент РФ № 2174162. Устройство для преобразования энергии / Кудымов Г. И., Студенников В. В.
6. Химические источники тока : справочник / под ред. Н. В. Коровина и А. М. Скундина. М. : МЭИ. 2003. 740 с.
7. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. К. П. Мищенко и А. А. Равделя. 7-е изд., испр. Л. : Химия. Ленингр. отд-ние, 1974.
8. Некрасов Б. В. Основы общей химии. М. : Химия. 1973.
References
1. Vinogradov K. N., Vinogradova E. K., Fadeev A. A., Nadaraia Ts. G., Shestakov I. Ya. Materialy IX Vserossiiskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Aktualnie problemi aviatsii i kosmonavtiki", Krasnoyarsk, 2013, р. 175-177.
2. Nadaraia Ts. G., Babkina L. A., Shestakov I. Ya., Fadeev A. A. Vestnik SibGAU. 2014, no. 2(54), p. 56-61.
3. Vinogradov K. N., Shestakov I. Ya., Strekaleva T. V. Materialy XIII Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii bakalavrov, magistrantov, aspirantov. Krasnoyarsk, 2014, р. 227-229.
4. Kudimov G. I., Studennikov V. V. Elektrovodo-rodnii generator. Moscow, MIS-RT, 1999.
5. Patent Rossiiskoy Federatsii № 2174162. Ustroystvo dlya preobrasovaniya energy. Kudimov G. I., Studennikov V. V.
6. Korovin N. V., Skundin A. M. Khimicheskiye istochniki toka : spravochnik. Moscow, MEI, 2003.
7. Mischenko K. P., Ravdel A. A. Kratkiyi spravochnik fisiko-khimicheskih velichin. L, Khimiya, 1974.
8. Nekrasov B. V. Osnovi obschei khimii. Moscow, Khimiya, 1973.
© Виноградов К. Н., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Надараиа Ц. Г., 2014
