Проблемы современной энергетики
- 3 -
Введение
Перспектива создания в будущем крупной космической
станции во многом зависит от ее системы электроснабжения,
которая существенно влияет на общую массу станции,
надежность, управление и стоимость. Большие размеры,
множество потребителей, обеспечение возможности дальнейшего
совершенствования космической станции выдвигают требования,
существенно отличающиеся от тех, которые предъявлялись к
другим космическим системам энергоснабжения. Несмотря на то,
что такая система может иметь большие размеры, она должна
быть способна хорошо адаптироваться к постоянно меняющимся
нагрузкам; что делает ее более похожей на автономную наземную
энергетическую установку, чем на типичную систему
электроснабжения космического аппарата, имеющую
определенный, неменяющийся состав потребителей.
Проблемам проектирования и создания систем
электроснабжения для крупных космических станций посвящено
немало научных статей, в которых рассматриваются источники
электрической энергии, линии электропередач, преобразователи
и распределители электороэнергии.
- 4 -
1.Проблемы выбора источников электрической энергии.
В основном,в качестве возможных источников
электрической энергии рассматривют следующие [1] :
- фотоэлектронные с электрохимическим накоплением
энергии;
- источники построенные на динамическом
преобразовании солнечной энергии с термическим накоплением
энергии;
- атомные энергетические установки [2].
Для фотоэлекторнного преобразования солнечной
энергии используются большие ( 8x8 см ) кремниевые элементы,
которые устанавливаются на гибкие развертываемые панели.
Для накопления энергии применяют топливные
элементы, никель- кадмиевые и никель-водородные батареи.
Топливные элементы накапливают избыточную
электрическую эенергию, получаемую от солнечных батерей,
посредством генерации кислорода и водорода в процессе
электролиза воды. Электроэнергия затем может быть получена
из тепловой, которая выделяется при соединении накопленного
кислорода и водорода.Такой метод накопления электрической
энергии значительно гибок и топливные элементы значительно
легче батарей, но имеет низкую эффективность и надежность.
Никель-кадмиевые батареи изготавливаются на основе
хорошо отработанной технологиии. Они уже давно успешно
используются в космических аппаратах, хотя низкая глубина
- 5 -
разряда приводит к значительному увеличению их массы.
Никель-водородные батарей были выбраны для
космических платформ, так как они более надежны,чем
топливные эементы, и при этом на 50% легче, чем
никель-кадмиевые батареи. В настоящее время
никель-водородные батареи используются на геостационарных
орбитах. Но что на низкой орбите, где будет располагаться
космическая станция, они будут испытывать гораздо больше
циклов заряда-разряда в год. Проведенные испытания показали,
что время работы никель- водородных батарей на низкой
околоземной орбите составляет около пяти лет.
Несмотря на то, что фотоэлектронные источники
широко используются в космосе, солнечные динамические
энергоустановки оказались более эффективными и менее
дорогими. Принцип работы солнечных динамических установок
заключается в следующем : солнечные лучи фокусируются
параболическим отражателем на приемнике, который нагревает
рабочее тело, приводящее в действие двигатель или турбину.
Затем механическая энергия преобразуется генератором в
электрическую. Для накопления термической энергии
используется соль, которая расплавливается в приемнике.
Во время затемнения соль остывает и отдает тепло для
расширения рабочего тела. Отражатель состоит из изогнутых
треуголных пластин, с зеркальной поверхностью, установленных
на гексогональных конструкцях соединенных 14-ти футовыми
штангами с космической платформой.
- 6 -
Эффективность солнечной динамической
энергоустановки составляет 20-30%; для сравнения,
эффективность кремниевых фотоэлементов составляет 14%.
Эффективность термического накопителя более 90%,
аккоммуляторных батарей - 70-80%, топливных элементов -
55%. Более высокая эффективность позволяет уменьшить площадь
собирателя солнечной энергии, что облегчает решение проблем
динамики станции. Меньшее лобовое сопротивление особенно
важно при размещении станции на низкой высоте - при том же
расходе топлива и на той же орбите увеличивается время
жизни станции.
Несмотря на то, что в настоящее время солнечные
динамические энергоустановки еще не используются в космосе,
уже существуюет мощная технологическая база, разработанная
для применения в наземных и аэровоздушных условиях. В
качестве рабочего тела применяют толиен (органический цикл
Ранкина с температурой подачи в турбину 750F) или
гелий-ксенон ( цикл Брайтона с температурой подачи в турбину
1300F). Установки с органическим циклом Ранкина мощностью
от нескольких киловатт до нескольких сотен киловатт
используются в наземных условиях. Установки с циклом
Брайтона используются для электроснабжения систем управления
газовых турбин; многие из них имеют тысячи часов наработки.
В программе НАСА 1960 г. была испытана установка с рабочим
циклом Брайтона, которая тестировалась 50,000 часов. Эта же
установка затем была успешно испытана в вакуумной камере.
- 7 -
2.Проблемы проектирования линий электропередач.
Применение атомных энергетических установок связано
со многими проблемами. Однако, уже существует проект
ядерной космической электростанции SP - 100, которая
разрабатывается для обеспечения энергией пилотируемой
космической платформы LEO [2]. Для уменьшения воздействия на
астронавтов радиации, SP - 100 устанавливается на
расстояние 1 - 5 км от платформы. Преимущество этого метода
заключается в том, что значительно уменьшается масса
защитной оболочки реактора, а следовательно и общая масса
системы. Однако, при этом возникает проблема передачи
энергии от источника до платформы на расстояние от 1 до 5
км.
После термоэлектрического преобразования SP - 100
генерирует напряжение 200 В постоянного тока. Это достаточно
высокое напряжение, чем необходимое для большинства
потребителей космической платформы, но недостаточно высокое
для допустимой массы соединительного кабеля. Для уменьшения
необходимой массы соединительного кабеля необходимо
высоковольтное преобразование. В некоторых работах показано,
что возможно соединить SP - 100 с космической платформой с
помощью кабелей с коаксиальной оболочкой, которая служит
для полной изоляции проводника от космической плазмы.
Эта оболочка необходима, так как поведение космической
плазмы сильно зависит от напряженности электрического поля
- 8 -
вблизи проводника. Эксперимент SPEAR показал что возможно
оставить высоковольтный кабель незащищенным, и это не
приведет к разрыву проводника, но напряженность
электрического поля не должна превышать 400 В/см.
Напряженность электрического поля вблизи кабеля,
связывающего SP - 100 с космической платформой, будет
составлять 20 - 100 кВ/см.
Однако, при этом появляются новые проблемы :
коаксиальная оболочка имеет большую площадь поверхности, и,
следовательно, будет подвергаться воздействию метеоритов.
Кроме того вблизи ядерного реактора уровень радиации высок.
Это вызывает возникновение в кабеле вихревых токов,что
приводит к нагреву кабеля и уменьшению проводимости.
В процессе проектирования была разработана
конструкция, позволяющая компактно разместить в одной
защитной оболочке( метеоритный бампер) несколько
коаксиальных высоковольтных кабелей. Для увеличения
защищенности кабеля и уменьшения его массы, применяется
газовое охлаждение. При применении газового охлаждения
в одном метеоритном бампере располагается четыре
коаксиальных кабеля, и этот бампер имеет диаметр в четыре
раза меньший чем, бампер с двумя коаксиальными кабелями и с
полимерной изоляцией.
- 9 -
3.Проблемы проектирования преобразвателей и
распределителей электрической энергии.
Система электроснабжения и подсистемы распределения
космической станции, как указывалось ранее, должны быть
удобными в эксплуатации, хорошо приспосабливаться к
изменению типа и величины нагрузки, и иметь возможность
дальнейшего расширения. Высокая потребляемая мощность
станции - 75 кВт с возможным увеличением до 300 кВт -
требует более высокого распределительного напряжения, чем
28В, которое обычно используется в космических аппаратах.
Точные расчет системы показал, что распределительное
напряжение должно быть 440 В. При выборе частоты тока были
рассмотрены в качестве возможных частот - 20 кГц, 400 Гц, и
постоянный ток.
Постоянный ток имеет преимущества в подключении к
определенным потребителям, но напряжение перерменного тока
можно легко изменить.
В самолетах обычно применяется переменный ток
частотой 400 Гц. Но в космических условиях возникает ряд
проблем - акустические шумы, электромагнитная интерференция
и другие.
Высоковольтные 20 кГц волновые системы пока еще не
применялись в космической и аэровоздушной технике, но их
применение очень перспективно. При применении высокой
- 10 -
частоты, компоненты систем электроснабжения становятся
меньше в размерах, легче, более эффективными, особенно,
когда применяется резонансное преобразование переменного
тока в постоянный, постоянного в переменный, постоянного в
постоянный, или переменного в переменный.
Высоковольтным 20 кГц системам электроснабжения
посвящен ряд работ [3,4,5], в которых рассматриваются
различные проблемы проектирования таких систем -
конфигурация системы, преобразователи, влияние
электромагнитной интерференции, минимизация гармонических
искажений в преобразователях.
Важной проблемой проектирования высокочастотных
систем электроснабжения является минимизация количества
преобразования электроэнергии при передаче ее от источника к
потребителю. Каждое преобразование энергии увеличивает
сложность системы, ее массу, искажает форму волны,
увеличивает потери энергии. Наиболее оптимальный вариант,
когда используется только два преобразования - постоянного
тока в переменный, для передачи энергии от источника к
потребителю, и переменного тока в постоянный, для
определенных потребителей. Для второго преобразования
большое значение имеет стандартизация напряжений
потребителей.
- 11 -
Список литературы
1. Ronald L. Thomas,Power is the keystone, Aerospace
America,Sept.,1986.
2. David J. Bents,Power transmission studies for thedered
SP-100,Lewis Research Center,Cleveland,Ohio 44135.
3. Irving G. Hansen, Gale R. Sandberg,Space station 20-kHz
power management and distribution system. Lewis Research
Center,Cleveland,Ohio 44135.
4. Louis F. Lollar, Roberts E. Kapustka, Minimizing the
total distortion for a 3 kW, 20 kHz AC to DC converter using
spice, NASA/Marshal Spase Flight Center,Huntaville,Alabama.
5. Irving G. Hansen, Frederick J. Wolff, 20kHz space station
power system,Lewis Research Center,Cleveland,Ohio 44135.