Проблемы современной энергетики
| Сдавался/использовался | 1995г. |
| Загрузить архив: | |
| Файл: refinost.zip (8kb [zip], Скачиваний: 116) скачать |
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 влияетна общуюмассу станции,
надежность, управлениеистоимость. Большиеразмеры,
множество потребителей, обеспечение возможности дальнейшего
совершенствования космической станции выдвигают требования,
существенно отличающиеся от тех,которые предъявлялиськ
другим космическим системам энергоснабжения. Несмотря на то,
что такая система может иметь большие размеры, онадолжна
быть способна хорошо адаптироваться к постоянно меняющимся
нагрузкам; что делает ее более похожей на автономную наземную
энергетическую установку, чемна типичнуюсистему
электроснабжения космического аппарата, имеющую
определенный, неменяющийся состав потребителей.
Проблемам проектирования и создания систем
электроснабжения для крупных космических станций посвящено
немало научных статей, в которых рассматриваютсяисточники
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-водородныебатарей были выбраны для
космических платформ,таккак ониболеенадежны,чем
топливныеэементы,и при этомна 50% легче,чем
никель-кадмиевые батареи. В настоящее время
никель-водородные батареи используются нагеостационарных
орбитах. Но что на низкой орбите, где будет располагаться
космическая станция, они будутиспытывать гораздобольше
циклов заряда-разряда в год. Проведенные испытания показали,
чтовремяработы никель-водородныхбатарей на низкой
околоземной орбите составляет около пяти лет.
Несмотрянато, чтофотоэлектронныеисточники
широко используютсявкосмосе, солнечныединамические
энергоустановки оказалисьболееэффективными именее
дорогими. Принцип работы солнечных динамических установок
заключаетсявследующем :солнечныелучи фокусируются
параболическим отражателем на приемнике, который нагревает
рабочее тело, приводящее в действие двигательили турбину.
Затем механическаяэнергияпреобразуется генераторомв
электрическую. Для накопления термической энергии
используется соль,котораярасплавливаетсяв приемнике.
Вовремязатемнения сольостываети отдаеттепло для
расширения рабочего тела. Отражатель состоит изизогнутых
треуголных пластин, с зеркальной поверхностью, установленных
на гексогональныхконструкцях соединенных14-ти футовыми
штангами с космической платформой.
- 6 -
Эффективность солнечной динамической
энергоустановки составляет 20-30%; для сравнения,
эффективность кремниевых фотоэлементовсоставляет 14%.
Эффективность термического накопителя более 90%,
аккоммуляторныхбатарей -70-80%,топливных элементов -
55%. Более высокая эффективность позволяет уменьшить площадь
собирателя солнечной энергии, что облегчает решение проблем
динамики станции. Меньшее лобовоесопротивление особенно
важно при размещении станции на низкой высоте - при том же
расходе топливаина тойже орбите увеличивается время
жизни станции.
Несмотря нато, чтов настоящее время солнечные
динамические энергоустановки еще не используются в космосе,
уже существуюет мощная технологическая база, разработанная
для применениявназемных иаэровоздушныхусловиях. В
качестве рабочего тела применяют толиен (органический цикл
Ранкинас
температуройподачи в
турбину
гелий-ксенон ( цикл Брайтона с температурой подачи в турбину
отнесколькихкиловатт донесколькихсотен киловатт
используются вназемныхусловиях. Установкисциклом
Брайтона используются для электроснабжения систем управления
газовых турбин; многие из них имеют тысячи часовнаработки.
В программе НАСА
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
сомногимипроблемами .Однако,уже существует проект
ядерной космическойэлектростанцииSP -100,которая
разрабатывается дляобеспеченияэнергией пилотируемой
космической платформы LEO [2]. Для уменьшения воздействия на
астронавтов радиации,SP - 100устанавливаетсяна
расстояние 1 -
заключаетсявтом, чтозначительноуменьшается масса
защитной оболочки реактора , а следовательно и общая масса
системы. Однако,приэтом возникаетпроблема передачи
энергии от источника до платформына расстояние от 1 до5
км.
После термоэлектрического преобразования SP - 100
генерирует напряжение 200 В постоянного тока. Это достаточно
высокое напряжение,чем необходимое длябольшинства
потребителей космической платформы, но недостаточно высокое
для допустимой массы соединительного кабеля. Для уменьшения
необходимой массы соединительногокабеля необходимо
высоковольтное преобразование. В некоторых работах показано,
что возможно соединить SP - 100 с космической платформой с
помощью кабелейс коаксиальнойоболочкой, котораяслужит
дляполнойизоляции проводникаоткосмической плазмы.
Этаоболочканеобходима, таккакповедение космической
плазмы сильно зависит от напряженности электрического поля
- 8 -
вблизи проводника. ЭкспериментSPEAR показал чтовозможно
оставить высоковольтныйкабельнезащищенным, иэтоне
приведет к разрыву проводника, но напряженность
электрического поля недолжна превышать400 В/см.
Напряженность электрического поля вблизи кабеля,
связывающего SP-100 скосмической платформой , будет
составлять20 - 100 кВ/см.
Однако,приэтом появляютсяновыепроблемы :
коаксиальная оболочка имеет большую площадь поверхности, и,
следовательно, будетподвергатьсявоздействию метеоритов.
Кроме того вблизи ядерного реактора уровень радиации высок.
Этовызываетвозникновение вкабелевихревых токов,что
приводиткнагреву кабеля иуменьшениюпроводимости.
Впроцессе проектированиябыла разработана
конструкция, позволяющаякомпактноразместить водной
защитной оболочке( метеоритный бампер) несколько
коаксиальных высоковольтных кабелей.Для увеличения
защищенности кабеляиуменьшения его массы, применяется
газовое охлаждение.Приприменении газовогоохлаждения
в одном метеоритном бампере располагается четыре
коаксиальных кабеля, и этотбампер имеет диаметр вчетыре
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,какуказывалось ранее, должны быть
удобнымивэксплуатации, хорошо приспосабливатьсяк
изменению типаи величинынагрузки, ииметь возможность
дальнейшегорасширения.Высокая потребляемаямощность
станции-75 кВтсвозможным увеличением до 300 кВт -
требует более высокого распределительного напряжения, чем
28В, которое обычно используется в космических аппаратах.
Точныерасчетсистемы показал,чтораспределительное
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.
Всамолетах обычноприменяетсяпеременный ток
частотой 400 Гц. Но в космическихусловиях возникает ряд
проблем - акустические шумы, электромагнитная интерференция
и другие.
Высоковольтные 20 кГц волновые системы пока еще не
применялись в космической иаэровоздушной технике,но их
применение очень перспективно. При применении высокой
- 10 -
частоты, компонентысистемэлектроснабжениястановятся
меньшевразмерах, легче,более эффективными, особенно,
когда применяетсярезонансноепреобразование переменного
тока в постоянный, постоянного в переменный, постоянного в
постоянный, или переменного в переменный.
Высоковольтным20кГц системам электроснабжения
посвященрядработ [3,4,5],вкоторых рассматриваются
различные проблемы проектирования таких систем -
конфигурация системы, преобразователи, влияние
электромагнитной интерференции,минимизация гармонических
искажений в преобразователях.
Важнойпроблемойпроектированиявысокочастотных
систем электроснабженияявляетсяминимизация количества
преобразования электроэнергии при передаче ее от источника к
потребителю. Каждоепреобразованиеэнергии увеличивает
сложность системы,еемассу, искажаетформуволны,
увеличивает потери энергии.Наиболее оптимальный вариант,
когда используется только два преобразования - постоянного
токавпеременный, дляпередачиэнергии от источника к
потребителю, и переменноготока впостоянный, для
определенных потребителей.Длявторого преобразования
большое значение имеет стандартизация напряжений
потребителей.
- 11 -
Списоклитературы
1. Ronald L. Thomas,Power is the keystone, Aerospace
2. David J. Bents,Power transmission studies for thedered
SP-100,
3. Irving G. Hansen, Gale R. Sandberg,Space station 20-kHz
power management and distribution system. Lewis Research
Center,
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,
5. Irving G. Hansen, Frederick J. Wolff, 20kHz space station
power system,