Проблемы современной энергетики
С О Д ЕЖ А Н И Е
Введение........................................3
1.Проблемы выбора источников электрической
энергии.........................................4
2.Проблемы проектирования линий электропередач..5
3.Проблемы проектирования преобразвателей и
распределителей электрической энергии...........9
Список литературы..............................11
- 3 Введение
Перспектива создания в будущем крупной космической
станции во многом зависита от ее системы электроснабжения,
которая существенно влияета н 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 можета иметь большие размеры, он должна
быть способна хорошо адаптироваться к постоянно меняющимся
нагрузкам; что делает ее более похожей на автономную наземную
энергетическуюа установку, чема н типичную систему
электроснабжения космического аппарата, имеющую а
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 становки [2].
Для фотоэлекторнного преобразования солнечной
энергии используются большие ( 8x8 см ) кремниевые элементы,
которые станавливаются 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 технолог. Они же давно спешно
используются в космических аппаратах, хотя низкая глубина
- 5 -
разряда приводит к значительному величению их массы.
Никель-водородные батарей былиа выбраны для
космическиха платформ, така кака они более надежны,чема
топливные эементы, и приа этома н 50%а легче, чем
никель-кадмиевые батареи. В настоящее время
никель-водородные батареиа используются н геостационарных
орбитах. Но что н низкой орбите, где будета располагаться
космическая станция, они будута испытывать гораздо больше
циклов заряда-разряда в год. Проведенные испытания показали,
что время работы никель-а водородныха батарейа на низкой
околоземной орбите составляет около пяти лет.
Несмотря н то, что фотоэлектронные источники
широко используются ва космосе, солнечные динамические
энергоустановкиа оказались более эффективнымиа и менее
дорогими. Принцип работы солнечных динамических становока
заключается ва следующема :а солнечные лучиа фокусируются
параболическим отражателем на приемнике, который нагреваета
рабочее тело, приводящееа в действие двигатель или турбину.
Затема механическая энергия преобразуется генераторома в
электрическую. Для накопления термической энергии
используется соль, которая расплавливается ва приемнике.
Во время затемнения соль остываета иа отдаета тепло для
расширения рабочего тела. Отражатель состоит иза изогнутых
треуголных пластин, с зеркальной поверхностью, становленных
на гексогональныха конструкцях соединенныха 14-ти футовыми
штангами с космической платформой.
- 6 Эффективность солнечной динамической
энергоустановки составляет 20-30%; для сравнения,
эффективность кремниевых фотоэлементова составляет 14%.
Эффективность термического накопителя более 90%,
ккоммуляторныха батарейа -а 70-80%, топливных элементов -
55%. Более высокая эффективность позволяет меньшить площадь
собирателя солнечной энергии, что облегчает решение проблема
динамики станции. Меньшее лобовое сопротивление особенно
важно при размещении станции на низкой высоте - при том же
расходеа топлив и н той же орбите величивается время
жизни станции.
Несмотря н то, что в настоящееа время солнечные
динамические энергоустановки еще не используются в космосе,
уже существуюет мощная технологическая база, разработанная
для применения ва наземныха и аэровоздушныха словиях. В
качестве рабочего тела применяют толиен (органический цикла
Ранкин c температурой подачи ва турбинуа 750F)а или
гелий-ксенон ( цикл Брайтона с температурой подачи в турбину
1300F). становки с органическим циклом Ранкина мощностью
от несколькиха киловатта до несколькиха сотена киловатта
используются ва наземныха словиях. Установки са циклома
Брайтона используются для электроснабжения систем управления
газовых турбин; многие из них имеют тысячи часова наработки.
В программе НАСА 1960 г. была испытана становка с рабочима
циклом Брайтона, которая тестировалась 50, часов. Эта же
установка затем была спешно испытана в вакуумной камере.
- 7 -
2.Проблемы проектирования линий электропередач.
Применение атомных энергетических становок связано
со многими проблемамиа . Однако, жеа существует проект
ядернойа космической электростанции SPа -а 100, которая
разрабатывается для обеспечения энергиейа пилотируемой
космической платформы LEO [2]. Для меньшения воздействия на
стронавтов радиации, SP -а 100а станавливается н
расстояние 1 - 5 км от платформы. Преимущество этого метода
заключается ва том, что значительно меньшается масс
защитной оболочки реактора, следовательно и общая масс
системы. Однако, при этом возникаета проблема передачи
энергии от источника до платформы на расстояние от 1 до 5
км.
После термоэлектрического преобразования SP - 100а
генерирует напряжение 200 В постоянного тока. Это достаточно
высокоеа напряжение, чем необходимоеа для большинств
потребителей космической платформы, но недостаточно высокое
для допустимой массы соединительного кабеля. Для уменьшения
необходимойа массы соединительного кабеля необходимо
высоковольтное преобразование. В некоторых работах показано,
что возможно соединить SP - 100 с космической платформой са
помощью кабелей с коксиальной оболочкой, которая служит
для полной изоляцииа проводник от космическойа плазмы.
Эт оболочк необходима, така кака поведение космической
плазмы сильно зависит от напряженности электрического поля
- 8 -
вблизи проводника. Эксперимента SPEAR показал что возможно
оставить высоковольтный кабель незащищенным, и это не
приведет к разрыву проводника, но напряженность
электрического поля не должн превышать 400 В/см.
Напряженность электрического поля вблизи кабеля,
связывающего SPа -а 100а са космической платформой, будет
составлять 20 - 100 кВ/см.
Однако, при этома появляются новые проблемы :
коксиальная оболочка имеет большую площадь поверхности, и,
следовательно, будета подвергаться воздействию метеоритов.
Кроме того вблизи ядерного реактора ровень радиации высок.
Это вызываета возникновениеа ва кабеле вихревых токов,что
приводита ка нагреву акабеля и меньшению проводимости.
Ва процессе проектирования был разработан
конструкция, позволяющая компактно разместить ва одной
защитной оболочке( метеоритный бампер) несколько
коксиальныха высоковольтных кабелей. Для увеличения
защищенностиа кабеля и меньшения его массы, применяется
газовоеа охлаждение. При примененииа газового охлаждения
в одном метеоритном бампере располагается четыреа
коксиальных кабеля, и этот бампер имеет диаметр ва четыре
раза меньший чем, бампер с двумя коксиальными кабелями и с
полимерной изоляцией.
- 9
3.Проблемы проектирования преобразвателей и
распределителей электрической энергии.
Система электроснабжения и подсистемы распределения
космическойа станции, кака казывалось ранее, должны быть
удобными ва эксплуатации, хорошо приспосабливаться к
изменению тип и величины нагрузки, и иметь возможность
дальнейшего расширения. Высокая потребляемая мощность
станции -а 75а кВта са возможныма увеличением до 300 кВт -
требует более высокого распределительного напряжения, чема
2В, которое обычно используется в космическиха аппаратах.
Точные расчета 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.
Ва самолетаха обычно применяется переменныйа ток
частотой 400 Гц. Но в космическиха словиях возникает ряда
проблем - акустические шумы, электромагнитная интерференция
и другие.
Высоковольтные 20 кГц волновые системы пока еще не
применялись ва космической и аэровоздушной технике, но их
применение очень перспективно. При применении высокой
- 10 -
частоты, компоненты система электроснабжения становятся
меньше ва размерах, легче, более эффективными, особенно,
когд применяется резонансное преобразование переменного
тока в постоянный, постоянного в переменный, постоянного ва
постоянный, илиа переменного в переменный.
Высоковольтныма 20а кГца системам электроснабжения
посвящена ряда работа [3,4,5], ва которыха рассматриваются
различные проблемы проектирования таких систем -а
конфигурация системы, преобразователи, влияние
электромагнитной интерференции, минимизация гармоническиха
искажений в преобразователях.
Важной проблемой проектирования высокочастотных
система электроснабжения является минимизация количества
преобразования электроэнергии при передаче ее от источника к
потребителю. Каждое преобразование энергииа увеличиваета
сложность системы, ее массу, искажаета формуа волны,
увеличивает потери энергии. Наиболее оптимальный вариант,
когда используется только два преобразования - постоянного
ток ва переменный, для передачи энергии от источника к
потребителю, и переменного ток ва постоянный, для
определенныха 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.