Проблемы в современной энергетике

- 2 -

 

 

                    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  ( 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.