Военни технологии за съхранение на енергия - Военен преглед
Военните следят отблизо появата на нови технологии, по-специално появата на модерни батерии, микрогенератори, горивни клетки, източници на слънчева енергия, суперкондензатори, които са предназначени да съхраняват енергия.
Пълният боен набор от войници тежи много, но бойните мисии в момента изискват носенето на голям брой най-нови електронни устройства. Използването на по-ефективно оборудване и интелигентни технологии за управление на енергията биха облекчили значително теглото на това оборудване. Поради това стана необходимо да се търсят и изучават нови технологични разработки. От своя страна, в най-напредналите програми за модернизация на военните, производството и управлението на електроенергия заема централно място.
Процесите на стандартизация и интеграция в НАТО са изключително сложни, тъй като няма единен стандарт на НАТО за свързване на устройства или напрежения в системите за подпомагане дейността на войника. Ето защо, като правило, разработчиците насочват основните си усилия към разработването на разпределени и централизирани енергоспестяващи системи.
Разпределената система се характеризира с факта, че всяка отделна част от оборудването е оборудвана със собствена батерия, а комуникацията с други части се осъществява изключително за предаване на данни. Централизираната система се характеризира с това, че комплектът от батерии, който включва, е интегриран в енергийната система на раницата и представлява едно цяло с персонална електроника.
Благодарение на централизираната система е възможно да се намали натоварването на човек, както и обемът на логистичните операции, което се постига чрез използването на няколко батерии вместо няколкоединична презареждаема единица, която е източник на енергия за оборудването. За да ги използвате ефективно, е необходимо всички устройства да имат еднакво напрежение или да имат собствени системи за контрол на мощността или блок за управление на енергията. Използването на централизирани захранващи вериги е по-подходящо за използване в модерни технологии, по-специално в електронни тъкани и окабеляване с плоски кабели.
Малките оръжия също стават потребители на електроенергия. Оптичните мерници, лазерните показалки, осветителните устройства, усилвателите на изображението и термовизионните камери вече не са нови за никого. Много военни също не изключват възможността за модернизиране и усъвършенстване на оръжията чрез вградено предаване на данни и захранване. Така например програмата за модернизиране на оборудването на австралийския войник LAND 125 включва подобрена пушка Steyr F88, оборудвана с батерия, която захранва с енергия допълнителни устройства.
ISSE DE&S (MoD Integrated Soldiers Systems Authority) и ABSL Power Systems съвместно разработиха леки батерии за радиостанции с ултра-къс обхват BOWMAN, които имат по-дълъг живот. Батериите се основават на съединението литиево-въглероден монофлуорид, което напоследък намира все по-голяма употреба.
Батериите използват кислород в химични реакции за производство на електричество. Оловно-киселинните батерии, например, кислородът се произвежда благодарение на електролита със сярна киселина. В литиево-въздушните батерии кислородът се получава от атмосферата, като по този начин се намалява масата на батерията. На теория литиево-въздушните батерии получават повече енергийна плътност,равна на 1000 W / h на 1 килограм клетка, но на практика батериите от този тип все още не достигат тази плътност. Освен това такива батерии не са способни на висока изходна мощност и акумулаторните модели все още не са внедрени на практика. Освен това има определени проблеми с издръжливостта и безопасността, тъй като литият е силно реактивен и може да експлодира или да се възпламени, ако се повреди или се борави небрежно.
В момента британското МО изпълнява програмата RBDS, която има за цел да намали натоварването на войник до 25 килограма. Тя се основава на разработването на лични енергоспестяващи и електронни системи. Крайният резултат трябва да бъде интегрирана архитектура на захранване и електронни системи, която ще разчита на основно захранване с енергийна плътност от порядъка на 600-800 Wh/kg. Първите прототипи са създадени през 2011 г., а работещи образци може да се появят след няколко години.
Програмата RBDS разглежда прилагането на различни концепции, за да се постигнат стъпаловидни промени в енергийната плътност на енергийните източници.
Трябва да се каже, че учени и индустриални групи се занимават с изследвания на различни технологии, по-специално софтуерни агенти, които са в състояние да извършват интелигентно управление на енергията, както и горивни клетки, химически усъвършенствани състави, фотоволтаични масиви, съхранение на енергия, електронни тъкани и микромотори.
Така в рамките на една от програмите на Министерството на отбраната на Обединеното кралство се провежда изследване на биомеханичното съхранение на енергия, което се състои в това, че движението на тялото се използва за освобождаване на енергия, която се използва за осигуряване на работа.лично радио. Изследователската работа "Слънчев войник" се занимава с изследването на многостепенно фотоволтаично устройство, което захранва устройства с енергия. В допълнение, има друга линия на изследване, която е насочена към разработването на бързо разгръщащи се печатни антени, които могат да се носят на тялото и с тяхна помощ да се натрупва радиочестотна енергия. Необходимостта от висока мощност в определени кратки интервали от време ни кара да обърнем внимание на обещаващите суперкондензатори.
Голяма част от напредналите изследвания на батериите са фокусирани върху използването на литиево-въздушните системи, които споменахме по-горе. Поради факта, че използването на практически литиево-въздушни системи е нерационално, през последните няколко години в света се появиха нови батерии с литиево-йонен състав. Това са безопасни литиево-железни фосфатни батерии, които имат висока пикова мощност и висока енергийна плътност. Сред производителите на такива батерии водещи позиции заемат американската компания A123 Systems и канадската Phostech Lithium. Особеността на новите батерии е, че имат много по-висока енергийна плътност, така че при презареждане могат да осигурят намаляване на логистичните проблеми.
Има и друга посока в развитието на батериите, която е сливането на две технологии - кондензатор и батерия. Кондензаторът е двойка проводници, които са разделени от диелектрици. Между тези проводници се натрупва потенциална разлика, която е електрически статичен заряд. Когато положителните и отрицателните полюси се свържат, кондензаторът се разрежда. Капацитетът се измерва във фаради, но наскоро се появиха многофарадови кондензатори,които съдържат голям електрически заряд в малък обем, могат бързо да се разреждат и презареждат. Техният недостатък е невъзможността да съхраняват заряд за дълго време. Благодарение на тези характеристики суперкондензаторите могат да допълват батериите в случаите, когато е необходима висока импулсна мощност за кратък период от време.
Използването на енергия като цяло е много важно, независимо от вида на енергийната архитектура. Досега войниците вече са се научили как да използват енергията по-интелигентно, като управляват потреблението на енергия чрез включване и изключване на оборудването. В същото време системите за автоматично управление ще предоставят възможност за удължаване на живота на батерията и намаляване на нивата на натоварване.
Ефективното управление на енергията е особено важно за войниците в бойна среда. Например, в Афганистан пехотинци и сигналисти, които провеждат двудневни патрули в страната, могат да носят до 11 килограма батерии. В същото време почти половината от масата на батериите се използва за защита, докато само 39 процента се използват за измервателна радиостанция. Останалите 22 процента са разделени между универсална батерия, високочестотна радиостанция, търговски елементи.
За да намали теглото на батериите, ABSL Power Systems Ltd, по поръчка на британската армия, разработи ново устройство, което е в състояние да извлече останалата енергия от непрезареждаеми изтощени батерии. Устройството, наречено SPC, освен че извлича енергия от батерии, може да прави същото и с други възможни източници на енергия. Това устройство може да се свърже към акумулатори на превозни средства и да прехвърли необходимото количество енергия към презареждаемо устройство. Освен това устройствотоможе да се свърже към слънчев панел, след което ще се превърне в зарядно устройство за батерии.
Преносимите генератори, оборудвани с малки двигатели с вътрешно горене, отдавна се използват на бойното поле. Такива генератори са икономични и надеждни, но не са лесни за пренасяне поради доста голямото им тегло. Това накара учените и индустрията да разработят миниатюрни генератори или дори микрогенератори. Първият тип устройства са много близки до двигателите за дронове и скоро може да се появят на пазара. Що се отнася до втория тип, това са микроелектромеханични системи, които се произвеждат с помощта на полупроводникова технология.
Така Cubewano разработва устройства, насочени към създаване на устройства, които с малко тегло (около 10 килограма) биха имали изходна мощност от 2 kW. Такова устройство би могло да осигури енергия на група от 8-12 войници за 72 часа. Звуковите ротационни двигатели на тази компания използват искрово запалване и могат да работят с различни горива.
Що се отнася до двигателите с вътрешно горене MEMS (микроелектромеханични системи), все още се провеждат изследвания върху тях, насочени към решаване на проблемите с уплътняването, карбурирането, смазването, запалването, диагностиката на двигателя, управлението на топлината и оформлението на допълнителни системи.
Ротационните двигатели MEMS, разработени в университета в Бъркли, са в състояние да генерират около 26 миливата енергия. Същата програма съществува и в университета в Кеймбридж. Освен това Бъркли също разработва мини-ротационен двигател, който може да произвежда 10-100 вата. Такива двигатели могат да заменят батериите.
Що се отнася до генераторите на гориво, те са в експлоатация от доста време.военна насоченост. Това се дължи на по-високата енергийна плътност на горивото в сравнение с химичния състав. Горивните клетки са способни да генерират енергия, докато към тях се доставят въздух и гориво. За известно време изглеждаше, че такива клетки ще заменят батериите, превръщайки се в предпочитан преносим източник на енергия. Но на практика това не се случи поради проблеми с доставката на горивото им. Освен това проблемът е в снабдяването им с водород, който е необходим за свързване с кислород и генериране на електричество. Водородът е много проблематичен за транспортиране, тъй като е експлозивен и има ниска енергийна плътност. Съхраняването му в течно състояние също е свързано с определени проблеми, тъй като изисква много ниски температури и високо налягане. Всички тези характеристики правят водорода много непрактичен за използване, особено на бойното поле.
Горивните клетки могат да работят с керосин или дизелово гориво, но това изисква допълнителна обработка на петролни продукти, а оборудването, необходимо за това, е изключително скъпо.
В крайна сметка всички тези проблеми доведоха до факта, че в момента основното развитие на горивни клетки за военните е насочено към използването на алкохолни горива, по-специално етанол и метанол.
Горивните клетки са в центъра на две разработки в Британската отбранителна технология и научна лаборатория: програмата RBDS-CV за намаляване на тежестта върху войника и личния източник на енергия.
PPS се разработва от Qinetiq и ABSL, които работят върху две системи с горивни клетки, Strand A и Strand B.дни. Използването му е възможно в захранваща преносима електроника и комуникационно оборудване, по-специално BOWMAN C4I и FIST. Теглото на източника е около 1,4 килограма, а енергийният му капацитет е 250 kW на час на килограм.
Компаниите са ангажирани в съвместна разработка и на втория източник, който е комбинация от батерия и горивни клетки. Протонообменната мембрана използва твърд, безцветен бор-азот хидрид като източник на водород. Теглото на втория източник ще бъде около 6,3 килограма, а енергийният му капацитет ще бъде равен на 220 kWh на килограм.
Има още една обещаваща горивна клетка, предложена от SFC Energy - леко преносимо устройство за военна употреба, наречено JENNY 600S. Използва технологията на директно окисление на метанола. Може да се носи на тялото, както и да се използва за извършване на дистанционна работа с устройства.
В момента е невъзможно да се определи коя от всички изброени технологии е най-добрата. Всички те са в процес на разработка и усъвършенстване и е напълно възможно в бъдеще да има устройства, които комбинират тези технологии.