Проблемы сучасної энергетики

— 3 ;

Перспектива створення майбутньому великої космической.

станції великою мірою залежить від неї системи электроснабжения,.

яка серйозно впливає загальну масу станции,.

надійність, управління економіки й вартість. Великі размеры,.

безліч споживачів, забезпечення можливості дальнейшего.

вдосконалення космічної станції висувають требования,.

відмінні від, які пред’являлися к.

іншим космічним системам енергопостачання. Попри то,.

що ця система може мати великі розміри, вона должна.

бути здатна добре адаптуватися до постійно меняющимся.

навантажень; що робить її більше схожою на автономну наземную.

енергетичну установку, ніж типову систему.

електропостачання космічного апарату, имеющую.

певний, незмінний склад потребителей.

Проблемам проектування й створення систем.

електропостачання значних космічних станцій посвящено.

чимало наукових статей, у яких розглядаються источники.

електричної енергії, лінії електропередач, преобразователи.

і розподільники электороэнергии.

— 4 ;

1.Проблемы вибору джерел електричної энергии.

У основном, в ролі можливих источников.

електричної енергії рассматривют такі [1] :

— фотоэлектронные з електрохімічним накоплением.

энергии;

— джерела побудовані на динамическом.

перетворення сонячної енергії з термічним накоплением.

энергии;

— атомні енергетичні установки [2].

Для фотоэлекторнного перетворення солнечной.

енергії використовуються великі (8×8 див) кремнієві элементы,.

які на гнучкі развертываемые панели.

Для накопичення енергії застосовують топливные.

елементи, нікелькадмиевые і никель-водородные батареи.

Паливні елементи накопичують избыточную.

електричну эенергию, отримувану від сонячних батерей,.

у вигляді генерації кисню і водню в процессе.

електролізу води. Електроенергія потім то, можливо получена.

з теплової, виділеної при поєднанні накопленного.

кисню і водорода. Такой метод накопичення электрической.

енергії значно гнучкий і паливні елементи значительно.

легше батарей, однак має низьку ефективність яких і надежность.

Никель-кадмиевые батареї виготовляються основе.

добре відпрацьованою технологиии. Вони віддавна успешно.

використовують у космічних апаратах, хоча низька глубина.

— 5 ;

розряду призводить до значного збільшення їх массы.

Никель-водородные батарей було обрано для.

космічних платформ, оскільки вони змогли надежны, чем.

паливні эементы, і навіть на 50% легше, чем.

никель-кадмиевые батареї. У цей время.

никель-водородные батареї використовуються на геостационарных.

орбітах. Але чому на низькою орбіті, де буде располагаться.

космічна станція, вони відчувати набагато больше.

циклів заряда-разряда на рік. Проведені випробування показали,.

що час нікельводневих батарей на низкой.

навколоземній орбіті становить близько п’яти лет.

Попри те що, що фотоэлектронные источники.

широко використовують у космосі, сонячні динамические.

енергоустановки виявилися ефективними і менее.

дорогими. Принцип роботи сонячних динамічних установок.

ось у чому: стане сонячне проміння фокусируются.

параболическим відбивачем на приймальнику, який нагревает.

робоче тіло, який підвів на дію двигун чи турбину.

Потім механічна енергія перетвориться генератором в.

електричну. Для накопичення термічної энергии.

використовується сіль, яка расплавливается в приемнике.

Під час затемнення сіль вистигає і віддає тепло для.

розширення робочого тіла. Відбивач складається з изогнутых.

треуголных пластин, з дзеркальній поверхнею, установленных.

на гексогональных конструкцях з'єднаних 14-ти футовыми.

штангами з космічної платформой.

— 6 ;

Ефективність сонячної динамической.

енергоустановки становить 20−30%; для сравнения,.

ефективність кремнієвих фотоелементів становить 14%.

Ефективність термічного нагромаджувача більш 90%,.

аккоммуляторных батарей — 70−80%, паливних елементів ;

55%. Вища ефективність дозволяє зменшити площадь.

збирача сонячної енергії, що полегшує рішення проблем.

динаміки станції. Менше лобове опір особенно.

важливо під час розміщення станції на низькою висоті - тим більше же.

витратах палива й тій самій орбіті збільшується время.

життя станции.

Попри те що, що на даний час солнечные.

динамічні енергоустановки ще використовують у космосі,.

вже существуюет потужна технологічна база, разработанная.

до застосування в наземних і аэровоздушных умовах. В.

якості робітника тіла застосовують толиен (органічний цикл.

Ранкина з температурою подачі в турбіну 750F) или.

гелий-ксенон (цикл Брайтона з температурою подачі в турбину.

1300F). Установки з органічним циклом Ранкина мощностью.

від кількох основних кіловат за кілька сотень киловатт.

використовують у наземних умовах. Установки з циклом.

Брайтона йдуть на електропостачання систем управления.

газових турбін; чимало їх мають тисячі годин наработки.

У конкурсній програмі НАСА 1960 р. випробували установка з рабочим.

циклом Брайтона, яка тестувалися 50,000 годин. Ця же.

установка потім — була успішно випробувана у вакуумній камере.

— 7 ;

2.Проблемы проектування ліній электропередач.

Застосування атомних енергетичних установок связано.

із багатьма проблемами. Проте, вже є проект.

ядерної космічної електростанції SP — 100, которая.

розробляється задля забезпечення енергією пилотируемой.

космічної платформи LEO [2]. Для зменшення впливу на.

астронавтів радіації, SP — 100 встановлюється на.

відстань 1 — 5 кілометрів від платформи. Перевага цього метода.

у тому, значно зменшується масса.

захисної оболонки реактора, отже й загальна масса.

системи. Проте, у своїй виникають проблеми передачи.

енергії джерела до платформи на відстань від 1 до 5.

км.

Після термоелектричного перетворення SP — 100.

генерує напруга 200 У постійного струму. Це достаточно.

високу напругу, ніж необхідне большинства.

споживачів космічної платформи, але цього замало высокое.

для припустимою маси з'єднувального кабелю. Для уменьшения.

необхідної маси з'єднувального кабелю необходимо.

високовольтна перетворення. У деяких роботах показано,.

що можна з'єднати SP — 100 з космічної платформою с.

допомогою кабелів з коаксиальной оболонкою, яка служит.

для повну ізоляцію провідника від космічної плазмы.

Ця оболонка необхідна, оскільки поведінка космической.

плазми залежить від напруженості електричного поля.

— 8 ;

поблизу провідника. Експеримент SPEAR показав що возможно.

залишити високовольтний кабель незахищеним, і це не.

призведе до розриву провідника, але напряженность.

електричного поля має перевищувати 400 В/см.

Напруженість електричного поля поблизу кабеля,.

який зв’язує SP — 100 з космічної платформою, будет.

складати 20 — 100 кВ/см.

Проте, у своїй з’являються нові проблеми :

коаксиальная оболонка має велику площа поверхні, и,.

отже, піддаватиметься впливу метеоритов.

З іншого боку поблизу ядерного реактора рівень радіації высок.

Це призводить виникнення в кабелі вихрових токов, что.

призводить до нагріванню кабелю і поступового зменшення проводимости.

У процесі проектування була разработана.

конструкція, що дозволяє компактно розмістити у одной.

захисної оболонці(метеоритний бампер) несколько.

коаксіальних високовольтних кабелів. Для увеличения.

захищеності кабелю і зменшення його маси, применяется.

газове охолодження. При застосуванні газового охлаждения.

щодо одного метеоритному бампері розташовується четыре.

коаксіальних кабелю, і це бампер має діаметр в четыре.

менший ніж, бампер з цими двома коаксиальными кабелями і с.

полімерної изоляцией.

— 9 ;

3.Проблемы проектування преобразвателей и.

розподільників електричної энергии.

Система електропостачання і підсистеми распределения.

космічної станції, як вказувалося раніше, повинні быть.

зручними в експлуатації, добре пристосовуватися к.

зміни типу, і величини навантаження, плюс возможность.

подальшого розширення. Висока споживана мощность.

станції - 75 кВт із можливим збільшенням до 300 кВт ;

вимагає вищого розподільного напруги, чем.

28 В, який зазвичай використовують у космічних аппаратах.

Точні розрахунок системи показав, що распределительное.

напруга має бути 440 У. При виборі частоти струму были.

розглянуті як можливих частот — 20 кГц, 400 гц, и.

постійний ток.

Постійний струм має переваги в підключенні к.

певним споживачам, але напруга перерменного тока.

можна легко изменить.

У літаках зазвичай застосовується перемінний ток.

частотою 400 гц. Однак у космічних умовах виникає ряд.

проблем — акустичні шуми, электромагнитная интерференция.

і другие.

Високовольтні 20 кГц хвильові системи поки що не.

застосовувалися у космічній і аэровоздушной техніці, але их.

застосування дуже перспективний. При застосуванні высокой.

— 10 ;

частоти, компоненти систем електропостачання становятся.

менші надходження до розмірах, легше, ефективнішими, особенно,.

коли застосовується резонансне перетворення переменного.

струму постійно, постійного в перемінний, постійного в.

постійний, чи змінного в переменный.

Високовольтним 20 кГц системам электроснабжения.

присвячений низку робіт [3,4,5], у яких рассматриваются.

проблеми проектування таких систем ;

конфігурація системи, перетворювачі, влияние.

електромагнітної інтерференції, мінімізація гармонических.

спотворень у преобразователях.

Важливою проблемою проектування высокочастотных.

систем електропостачання є мінімізація количества.

перетворення електроенергії під час передачі його від джерела к.

споживачеві. Кожне перетворення енергії увеличивает.

складність системи, її масу, спотворює форму волны,.

збільшує втрати енергії. Найоптимальніший вариант,.

коли використовується лише 2 перетворення — постоянного.

струму в перемінний, передачі енергії джерела к.

споживачеві, та перемінного струму постійно, для.

певних споживачів. Для другого преобразования.

велике значення має тут стандартизація напряжений.

потребителей.

— 11 ;

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 44 135.

3. Irving G. Hansen, Gale R. Sandberg, Space station 20-kHz.

power management and distribution system. Lewis Research.

Center, Cleveland, Ohio 44 135.

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 44 135.