Проблемы современной энергетики

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.