Анализ современного состояния в области разработки и использования источников электрической энергии для автономных систем

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития авиационной техники невозможно представить без применения бортовых авиационных аккумуляторных батарей (АБ), которые являются аварийными источниками электрической энергии и предназначаются:

- для питания жизненно необходимых приемников электрической энергии на воздушном судне при отказе системы электроснабжения постоянного тока в полете;

- для обеспечения автономного запуска авиационных двигателей;

- для кратковременной проверки работоспособности маломощных потребителей.

Работа в аварийном режиме должна продолжаться вплоть до вынужденной посадки, то есть не менее получаса.

В нормальном режиме АБ работают в буфере с генератором, что обеспечивает их подзаряд и защиту генератора от перегрузок при включении мощных потребителей.

Техническое состояние аккумуляторных батарей существенно влияет на безопасность полетов и боеготовность авиационной техники, так как оно определяет необходимое время полета при отказе генератора и надежность автономного запуска авиадвигателей.

Грамотная эксплуатация дорогостоящих авиационных аккумуляторных батарей обеспечивает их высокую надежность и долговечность.

В настоящее время на борту воздушных судов используются щелочные (никель-кадмиевые, серебряно-цинковые) и кислотные (свинцовые) аккумуляторные батареи.

Актуальными задачами перспективного развития вторичных источников химических источников тока (ХИТ) являются:

- создание новых аккумуляторных батарей с нестандартными электрохимическими системами;

- коренное усовершенствование электродов и других элементов конструкции, включая корпус;

- поиск новых материалов для сепараторов;

- уменьшение стоимости благодаря использованию современнейших технологий производства аккумуляторных батарей.

Целью данного дипломного проекта является анализ современного состояния и перспектив развития химических источников тока, а также проектирование зарядной станции, предусматривающей возможность использования в ближайшем будущем АБ с новыми электрохимическими системами.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ современного состояния в области разработки и использования источников электрической энергии для автономных систем;

- рассмотреть проблемы развития химических источников тока;

- разобраться в принципиальном устройстве химических источников тока и их характеристиках;

- спроектировать зарядную аккумуляторную станцию как для используемых в настоящее время в авиации вторичных источников химического тока, так и учетом перспектив их развития;

- проанализировать по возможности, экологические проблемы, связанные с эксплуатацией химических источников тока.

 

Расчет потребности в энергоресурсах

Расчет потребности в энергоресурсах составляет один из важнейших этапов в проектном расчете. Определение потребности в основных видах энергоснабжения рассматривается ниже.

 

Определение расхода воды

Вода расходуется на производственные и бытовые нужды. При определении потребности в воде рассчитывается годовой и часовой расходы. Методика определения расхода воды на производственные нужды зависит от категории потребителей.

Так как ЗАС относится ко второй категории потребителей воды с непрерывным расходом воды, то годовой расход определяется по формуле:

(17)

где – годовой расход воды (м³);

– часовой расход установки принимается по паспортным данным установок (для дистилляционной установки = 0,65 м³/ч);

– действительный годовой фонд времени оборудования ( = 5840 час);

– коэффициент загрузки оборудования принимается из таблицы 2.3.4.1 ( = 0,7);

Расчет вентиляции

Все помещения должны иметь сквозное естественное проветривание. Площадь сечения фрамуг и форточек берется в размере от 2 до 4% от площади пола.

Принудительная вентиляция применяется в помещениях, для которых плотность воздухообмена принимается более 3. Для ЗАС плотность воздухообмена принимается = 8 согласно таблицы 3.35 [4].

Производительность вентилятора определяется по формуле:

(18)

где – кубатура помещения ( = 432 м³);

– кратность обмена воздуха в час ( =8).

Вентилятор выбирается по каталогу, для которого:

- частота вращения ω = 1500 об/мин;

- напор от 11 до 12,3 мПа;

- КПД от 0,52 до 0,58.

Мощность электродвигателя (кВт) для вентилятора определяется по формуле:

(19)

где – напор вентилятора ( = 11мПа);

β – коэффициент запаса мощности (β= 1,3);

– коэффициент полезного действия вентилятора ( = 0,55).

Зная мощность и обороты, по каталогу был выбран тип электродвигателя АДМ-63-В4.

 

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

В данном разделе дипломного проекта рассчитываем экономическую эффективность разрабатываемой зарядной аккумуляторной станции. Экономическая эффективность () за расчетный период времени определяется по следующей формуле:

, (20)

где – стоимостная оценка результата производства от мероприятия НТП;

– стоимостная оценка затрат производителя на реализацию мероприятия НТП;

Т – расчетный период времени.

Под расчетным периодом подразумеваем время, в течение которого капиталовложения оказывают воздействие на производственный процесс. Для предприятия-производителя расчетный период – срок производства новой техники. Очевидно, что увеличение сроков производства влечет за собой увеличение прибыли, поскольку затраты на освоение новой продукции многократно себя окупают. С другой стороны, в связи с появлением новых технологий и постоянным развитием электроники. Поэтому, реальный срок производства не должен быть более чем от трех до четырех лет.

 

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

Разрабатываемая зарядная аккумуляторная станция должна обеспечивать высокую степень надежности как при эксплуатации в нормальных условиях, так и в аварийных ситуациях.

Для повышения уровня надежности приходится увеличивать затраты на запасные части, улучшать подготовку и число обслуживающего персонала. Кроме этого необходимо совершенствовать конструкции блоков для быстрого восстановления и ремонта отказавших узлов.

Данные меры ведут в свою очередь к удорожанию аппаратуры, увеличению сроков разработки. Поэтому оптимальное построение элементов ЗАС должно выполняться по критерию минимума экономических и временных затрат при условии, что реальная надежность обеспечивается не хуже некоторой заданной величины. В качестве надежности используются следующие показатели:

- вероятность безотказной работы P(t);

- частота отказов а(t);

- интенсивность отказов λ(t);

- средняя наработка до первого отказа Тср.

В состав электрической схемы модернизированной системы входят:

- КТП;

- Электропроводка;

- УЗА-СЦ.

Из справочных данных находим номинальную интенсивность отказов всех элементов рассчитываемой схемы. Данные заносим в таблицу 4.1 и производим расчеты.

 

Таблица 4.1 — Номинальная интенсивность отказов

Группа элементов	Количество элементов в i ‑й группе	Интенсивность отказов для элементов i-й группы	Произведение
КТП		0,1	0,1
Электропроводка		3,5	3,5
УЗА-СЦ		0,8	2,4
ЭД-90-1К-01		0,9	0,9

 

Подсчитываем значение суммарной интенсивности отказов элементов устройства, используя выражение:

где – значение интенсивности отказов элементов i -й группы, найденное с использованием справочников,

– количество элементов в i -й группе,

m – число сформированных групп однотипных элементов.

Используя данные, приведенные в таблице 4.1, получим:

По общепринятым формулам для экспоненциального закона надежности подсчитываем другие показатели надежности:

а) наработка на отказ:

б) вероятность безотказной работы за заданное время :

в) частота отказов за заданное время :

Находим вероятность безотказной работы схемы за 10000 ч:

Построим график зависимости вероятности безотказной работы схемы от времени , для чего задаем значения времени и находим соответствующие значения вероятностей безотказной работы:

Полученные данные заносим в таблицу 4.2

Таблица 4.2 — Вероятностей безотказной работы

Время работы t, час	Значение вероятностей безотказной работы Р(t)

 

Продолжение таблицы 4.2

 

По данным таблицы 4.2 строим график зависимости вероятности безотказной работы схемы от времени:

Рисунок 4.1 — График зависимости вероятности безотказной работы Р(t)

Построим график зависимости частоты отказов а от времени , для чего задаемся значением времени и находим соответствующие частоты отказов, используя формулу (43):

Полученные данные сводим в таблицу 4.3

 

 

Таблица 4.3 — Частоты отказов

Время работы t, ч	Частота отказов, α·10^-6,1/час

 

Рисунок 4.2 — График зависимости частоты отказов α(t)

 

Число отказов за год рассчитываем по формуле:

где — число часов работы в году. Будем считать, что наша система работает 8500 часов в год.

Число отказов в год рассчитываем по формуле:

 

Общие сведения

Рабочим при обслуживании и ремонте аккумуляторных батарей приходится иметь дело со свинцом и его соединениями, представляющими собой медленно действующие яды. Отравляющее действие на организм свинцовой пыли, паров свинца и его соединений, раздражающее действие серной кислоты на слизистую оболочку и дыхательные пути, ожоги, причиняемые серной кислотой при попадании ее на кожу, взрывоопасность гремучего газа – все это требует от рабочего аккумуляторной мастерской строгого соблюдения правил техники безопасности.

Рабочие аккумуляторной мастерской должны знать безопасные методы труда, для чего при поступлении на работу они проходят вводный инструктаж, затем инструктаж на рабочем месте и обучение основам техники безопасности. Все работники аккумуляторной мастерской независимо от их квалификации и стажа работы не реже одного раза в шесть месяцев проходят повторный инструктаж.

Все поступающие на работу в аккумуляторную мастерскую должны пройти предварительный медицинский осмотр и в дальнейшем проходить медицинское освидетельствование один раз в шесть месяцев,
Для рабочих аккумуляторной мастерской соблюдение правил техники безопасности имеет особенно большое значение. Выделяющийся в процессе заряда батарей водород при определенной концентрации образует с кислородом воздуха «гремучий газ», взрывающийся даже от небольшой искры.

 

ВЫВОДЫ

Основной задачей дипломного проекта являлось разработать ЗАС для обслуживания бортовых авиационных АБ.

В первой части проекта был произведен детальный анализ современного состояния в области разработки и использования источников электрической энергии для автономных систем. Были рассмотрены сравнительные характеристики различных энергоустановок и сделаны выводы, что по суммарным оценкам химические источники тока обладают рядом достоинств.

При исследовании проблемы развития химических источников тока поднимались вопросы по применению новейших технологий их производство, конструктивного усовершенствования самих источников и возможности использования АБ с нестандартными электрохимическими системами.

Большое внимание было уделено конструктивным особенностям АБ, их характеристикам и эксплуатационным параметрам. В частности, предлагалось выбрать новые методы сепарации и герметизации АБ, благодаря которым увеличивается срок службы и упрощается их эксплуатация.

Во второй части проекта разрабатывалась ЗАС. При проектировании были рассмотрены следующие вопросы:

а) требования, предъявляемые ЗАС;

б) назначения и состав ЗАС;

в) требования техники безопасности при работе на ЗАС.

В расчетной части дипломного проекта определялись:

- годовой объем работ;

- количество рабочих мест на станции;

- площадь производственных помещений.

Разработка плана станции, выбор оборудования и компоновка его на плане ЗАС проводилась в соответствии с нормативами руководящих документов.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Багоцкий В.С., Скудин А.М. Химические источники тока. – М. Энергоиздат, 1981. – 360 с.

2. Методические указания по дипломному проектированию.: – МГВАК, 2010. – 130 с.

3. Варыпаев В.Н. Химические источники тока. – М. Высшая школа, 1990. – 240 с.

4. Руководство к курсовому и дипломному проектированию по ремонту А и САТО. – Воронеж, 1994. – 218с.

5. Проектирование средств технического обслуживания специальных машин. – Воронеж, 1985. – 270 с.

6. Выпуск 6578 «Руководство по эксплуатации авиационных аккумуляторных батарей и организации работ на зарядных аккумуляторных станциях».

7. ГОСТ 2.104-2006

8. Дудников И.Л., Янукович Г.И. Расчет линий электропередач ВС и наземных авиационных объектов. – Минск: МГВАК, 2013. – 112 с.

9. Официальный сайт Межгосударственного авиационного комитета (МАК) http://www.mak.ru/

10. Козлов Б.А. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. - М.: советское радио, 1975 г. – 139 с.

11. Козловский А.С., Юрец Ю.М. Пути повышения надежности электрических сетей: учебно-методическое пособие. – Гродно: ГрГУ, 2007. - 203 с.

12. Бортничек А.В., Васс Э.Д. Справочник по проектированию электрических сетей. – Москва: Издательство ДМК. - 320 с.

13. Охрана труда на предприятиях. Под редакцией Ф.Б. Шаокана и П.Р. Суслика. – Москва: МГУ, 256 с.

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития авиационной техники невозможно представить без применения бортовых авиационных аккумуляторных батарей (АБ), которые являются аварийными источниками электрической энергии и предназначаются:

- для питания жизненно необходимых приемников электрической энергии на воздушном судне при отказе системы электроснабжения постоянного тока в полете;

- для обеспечения автономного запуска авиационных двигателей;

- для кратковременной проверки работоспособности маломощных потребителей.

Работа в аварийном режиме должна продолжаться вплоть до вынужденной посадки, то есть не менее получаса.

В нормальном режиме АБ работают в буфере с генератором, что обеспечивает их подзаряд и защиту генератора от перегрузок при включении мощных потребителей.

Техническое состояние аккумуляторных батарей существенно влияет на безопасность полетов и боеготовность авиационной техники, так как оно определяет необходимое время полета при отказе генератора и надежность автономного запуска авиадвигателей.

Грамотная эксплуатация дорогостоящих авиационных аккумуляторных батарей обеспечивает их высокую надежность и долговечность.

В настоящее время на борту воздушных судов используются щелочные (никель-кадмиевые, серебряно-цинковые) и кислотные (свинцовые) аккумуляторные батареи.

Актуальными задачами перспективного развития вторичных источников химических источников тока (ХИТ) являются:

- создание новых аккумуляторных батарей с нестандартными электрохимическими системами;

- коренное усовершенствование электродов и других элементов конструкции, включая корпус;

- поиск новых материалов для сепараторов;

- уменьшение стоимости благодаря использованию современнейших технологий производства аккумуляторных батарей.

Целью данного дипломного проекта является анализ современного состояния и перспектив развития химических источников тока, а также проектирование зарядной станции, предусматривающей возможность использования в ближайшем будущем АБ с новыми электрохимическими системами.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ современного состояния в области разработки и использования источников электрической энергии для автономных систем;

- рассмотреть проблемы развития химических источников тока;

- разобраться в принципиальном устройстве химических источников тока и их характеристиках;

- спроектировать зарядную аккумуляторную станцию как для используемых в настоящее время в авиации вторичных источников химического тока, так и учетом перспектив их развития;

- проанализировать по возможности, экологические проблемы, связанные с эксплуатацией химических источников тока.

 

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ

В настоящее время электроэнергию для автономных систем получают с помощью газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания и солнечных батарей. Разрабатываются магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические и термоионные (термоэмиссионные) генераторы. Основные параметры энергоустановок с целью сравнения их с химическими источниками тока приведены в таблице 1.

Удельные мощности, стоимость и срок службы ХИТ имеет один порядок с показателями термоионных и термоэлектрических генераторов, но КПД их в несколько раз выше. Удельная мощность и срок службы фотоэлектрического генератора выше, чем у ХИТ. Однако основным недостатком этого генератора является его высокая стоимость.

По многим показателям магнитогидродинамические генераторы (МГД) превосходят ХИТ, но пока имеют очень малый срок службы, их можно применять лишь для установок большой мощности (при работе образуются окислы азота другие вредные продукты).

Тепловые машины и двигатели внутреннего сгорания дешевле и имеют высокую удельную мощность. Однако КПД ХИТ значительно выше. По суммарным оценкам химические источники тока по сравнению со многими другими автономными энергоустановками обладают рядом достоинств, в том числе:

- безвредностью;

- отсутствием шума и вибрации;

- высоким КПД и отсутствием потребления реагентов в нерабочем состоянии;

- модульной конструкцией, позволяющей получать установки различной мощности и напряжения, и размещать их в пространстве разной формы;

- простотой эксплуатации и хранения;

- достаточно высокой надежностью;

- возможностью работы при широких пределах внешнего давления и температур.

 

 

 

 

абот. Принимается из таблицы 3.18 [4] равным 1.

Принимается = 3 рабочих мест.

Количество работающих специалистов на ЗАС определяется по формуле:

, (13)

где m – количество работающих специалистов.

Принимается m= 13 человек.

Согласно количеству рабочих мест, числу смен и количеству работающих специалистов, необходимых для обслуживания всех АБ принимается штат, состоящий из:

- Начальника ЗАС – 1 человек;

- старших смен – 4 человека;

- аккумуляторщиков – 8 человека.