Проблемы современной энергетики

С О Д Е Р Ж 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 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 ( 8×8 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.


Зараз ви читаєте: Проблемы современной энергетики