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高效能源——XX25燃料电池

(2011-03-12 21:02:13)
标签:

能源

高效

军事

宣化

分类: 乡音亲情

2011年1月14日宣化某商场拍摄↓

高效能源——XX25燃料电池
—————————————————————————————————————————

 

美军全力发展高效节能战场电源系统

    军队现代化的主要标志之一,是大量电子信息设备在各级指挥控制机构、武器平台和单兵装备中的广泛使用。如果说是由这些电子信息设备造就了军队敏感完整的神经系统,那么电源则是保持军队敏感完整神经系统活力的血液。在部队远距离投送、自然条件恶劣、不可能依靠当地电力网络且后勤补给困难的背景下,高效节能的战场电源成为军队保持神经系统正常运转不可或缺的源动力。
  在世界各国军队中,美军对先进战场电源系统研制一直保持着较大的投入,但效费比始终不尽人意,由于在阿富汗和伊拉克战场作战中这一问题更加突出,迫使美军在战场电源的研制使用上必须另寻捷径。 
  传统电源面临压力  
  战场电源主要是指为野战条件下各级指挥所电子信息设备和一线人员电子信息装备提供电能的电源装置。在作战使用过程中,前沿指挥所的电力源和一线作战人员的电力源又有所不同。前者使用的电源主要来自自备的燃油发电机组,而后者几乎要完全依靠携行的电池。
  为在阿富汗和伊拉克执行作战任务,美中央司令部在战场及其周边区域开设了各类战术指挥所和大小前进基地约400处。要维持这些指挥所和基地的正常运转,就必须保证月平均2.57亿升油料的供应。而这当中耗油量最大、又不能断顿的“油老虎”是为通信、照明和空调设备提供动力的发电机组,每天至少要为这两个战场提供757万升的燃油补给。其中,美军阿富汗战场的油料和物资补给依靠两条主要通道北面的几个中亚国家和东面的巴基斯坦。在伊拉克战场,美军的油料补给要通过三条陆路通道南面的科威特,西面的约旦和北面的土耳其。尽管每天有125辆,各装载3.4万升油料的运输车不停的奔忙,这一脆弱的运输保障系统始终存在极大压力,面对恶劣的战场环境和敌方持续不断的袭击,美军在2008年6月一个月中就伤亡了数十人,损失了44辆运输车和837万升油料。
  同样,在一线人员配备的通信及其他电子设备蓄电池消耗上,美军也面临着极大的困境。
  首先是长时间地在复杂地区值勤导致蓄电池消耗量猛增,采购补充困难,而且作战人员又无法大量携行。根据计算,美陆军士兵执行4天任务,不包括通信电子设备在内的携行装备重约15—20千克。如果用传统电池为功耗24瓦的便携式通信设备供电,每天至少要携带5千克的电池,如果执行4天任务,仅电池重量也要20千克。
  但美军士兵在作战中除了要配备便携式无线通信系统外,还要携带卫星定位系统、夜视和热成像设备等5种用电子装置,而特种部队人员还要再配备目标截获与射击指示系统等用电器材。在未来10年,随着便携式电子装备功能的日益复杂化,士兵配备的电子设备将达9种,这无疑对单兵携带的电源系统效费比提出了更高要求。
  二是已经大批装备部队的一次性锂电池和可充电锂电池均不便使用。一次性锂电池是一种不能充电,用完就扔的电池,所以,美军士兵出发前必须尽最大能力携带,并且在使用中只要认为电压不足,就立即更换或丢弃,电池利用率很低且浪费惊人。而对于充电锂电池,如果要保持高密度效率,则必须要定期充放电。但在阿富汗、伊拉克这样的山地和沙漠战场环境,方便使用的充电电源网络基本不存在,快速激烈作战更不能保障战术分队在从容的条件下进行电池充放电操作。针对迫切的作战需求,美军先后推出了采用集中供电策略、开发混合智能电源和加速燃料电池研制等措施。
  美军缓解战场电源压力的新举措   
  采用集中供电策略
  集中供电办法首要目标是提高指挥所和基地台站等半固定设施的电源利用效率。
  美军一开始采用传统的多部小型发电机组分别为各自的用户群分散供电的办法。这不仅造成油料资源浪费,而且还要同时占用多名维修管护人员。如果采用集中供电办法,即一部发电机组为多个用户群同供电,不仅可以节约宝贵油料资源,减轻后勤保障系统压力,还能提高电能使用效率,节省人力物力。经过美陆军第4机械化步兵师战术指挥所战场检验,集中供电效果非常明显,因此美中央司令部立即将这一做法向战区其他部队做了推广。 
  开发混合智能电源
  为综合利用战场自然资源,美国防部授权陆军机动电源项目办公室牵头开展一项6年研制计划,以开发下一代称作混合智能电源的战场智能管理栅格结构供电系统。美军设想,这种全新的电力系统可以综合利用包括成熟的商用机动发电机组、车辆电源、风能和太阳能等多种能源,组合形成栅格状电源网络,保证作战分队实现即插即用。使用中,混合智能电源可根据实际用电状况自动开启或关闭电力机组,并可根据要求临时存储电能,可以在降低能耗17—40%的同时,大大减少维修保障人员数量并显著降低电源设备故障次数。  
  推进燃料电池技术发展计划
  燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池与传统电池的最大优势在于只要有燃料和氧化剂供给,就会有持续不断的电力输出,这在军事应用领域有着极其广阔的前景,符合美军战场电源设备要“更小,更轻,更加高效且成本更低的作战需求”。有鉴于此,在美国防部统一领导下,美国防部高级研究计划局、陆军通信电子研发工程中心、陆军研究室、海军研究室和空军研究实验室纷纷投入大量人力物力进行实用性开发研制。目前,美军重点研发的燃料电池包括直接甲醇燃料电池(DMFC)、改良甲醇燃料电池(RMFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。这几种燃料电池的共同特点是:
  (1)效率高,污染低。燃料电池将化学能转化为电能,理论转化效率可达75%~100%。虽然目前只达到740%~60%,但已大大高于传统发电方式效率。在以纯氢气体为燃料时,可以实现污染零排放。
  (2)噪声低,可靠性高。传统战场发电机组会不可避免地产生噪声和热辐射,这些都是兵家大忌。而燃料电池本身没有运动部件,不但能安静地将燃料化学能转化为电能,且不会产生热效应。模块化燃烧电池质量轻,体积小,功率高,更适合野战条件下使用。
  (3)消除了锂电池弱点。锂电池有三个先天性致命弱点。一是存放维修条件苛刻,储备过程中要不时充放电,否则直接影响电池效率;二是操作中对温度要求高,高低温对电池效能和寿命都有影响;三是重量难以减轻,作战人员无法大量携行。而燃料电池则克服了锂电池的这些缺点,且能提供多一倍以上的电能。
    根据美国防部燃料电池发展计划,美军燃料电池研制主要有三项基本目标:降低能源消耗并增加携行能源密度;减少电源后勤支援计划项目,填补发电机组与传统电池间的空白。目前,美国防高级研究计划局和各军兵种在燃料电池研发上都取得了相当进展。其中,美陆军将燃料电池划分为基地台站供电系统、运输系统电池单元和步兵分队(单兵)便携设备三个应用领域。同时,又按燃料电池输出功率大小和使用目的,将燃料电池细分为三个大类:功率1~100瓦的士兵和传感器燃料电池;100~500瓦的
便携式燃料电池和500~10千瓦辅助燃料电池。三个大类中的士兵和传感器燃料电池,便携燃料电池主要用于便携或背负设备,而辅助燃料电池则用作充电器或作为对声响和热辐射控制要求极严的低目标特性设备的辅助电源设备。由于美陆军是燃料电池技术最大的用户群,所以其投入最大,所形成的装备系统也更具代表性,部分型号已装备部队。 
  基地台站供电系统
  美国防高级研究计划局以不依靠“国家电网”,实现“岛”式集中供电和应急供电为先期目标,先后为国内部分重要军事单位演示性地安装了120余套基地台站供电设备。这些单位包括陆军士兵系统司令部;海军学院,海洋地理环境学院和海军医院;空军第934空运联队、第911空运联队及爱德华等8个空军基地;美国国家防务中心和西点军校。  
  无人机燃料电池系统
  美海军和海军陆战队研究试验室固体氧化物燃料电池项目,要求在达到模块化,紧凑和耐高温基础上,还能使用美军JP5、JP8,超低硫磺柴油和零硫磺合成柴油,满足美海军及海军陆战队辅助电源系统作战要求,计划在2012年进行系统原型测试,在2015年投入作战使用。
  2009年10月,美海军研制的550瓦氢氧燃料电池试用于“离子虎”小型无人机后,只加注一次燃料巡航时间就接近24小时,比原发动机效率提高4倍,显著加强了这种无人机的侦察监视和通信链路效能。 
  战场战术静音发电机组
  战场战术静音发电机组(TQG)专为前沿指挥所、战术作战中心和通信枢纽等半固定台站提供电力。美军对战术静音电机的首要要求是要达到声响,热辐射和电磁兼容性的低目标特性并且要便于维修。所研发的3千瓦战术燃料电池发电机组已能基本满足这些要求。2009年1月,美陆军要求美DRS技术公司提供采用了燃料电池技术的3千瓦、5千瓦、10千瓦、15千瓦和100千瓦战术静音发电机组5000部,目前装备部队的总量约达3万余部。 
  XX25便携式电子设备燃料电池
  该电池系由美Ultra Cell公司牵头,专为美陆军设计的一种混合燃料电池,在美2008年士兵技术大会上获得“最佳士兵系统创新技术奖”。2009年12月,XX25燃料电池加入加里福尼亚州本宁堡机动作战实验室“陆军远征武士试验”。
  XX25燃料电池加上燃料和电池包重约2.5千克。按72小时任务计算,比传统电池轻70%,并且只用一个燃料筒就可以使用数天甚至数个星期。电池的功率输出控制模式,能对6个端口输出输入功率自动管理。可以用于美军战术电台、便携式计算机和远程热成像系统,也能为美军BB-2590和Ⅲ-80/145电池充电。
  美陆军PRC-117战术电台如采用传统的BA-5590电池,每节电池价值约100美元。要满足72小时作战使用,至少要准备13节,总重量达15千克。而使用XX25燃料电池,重量减少了7千克,费用降低一半。试验表明,XX25是一种轻型的,可以满足高机动作战要求的电源。

本文来自:免费杂志网-hao1111.cn 原文链接是:http://www.hao1111.cn/plus/view.php?aid=1222&pageno=2
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