Проблеми створення систем електропостачання для космічних станцій.
Химия

Проблеми створення систем електропостачання для космічних станцій.


Завантажити реферат: Проблеми створення систем електропостачання для космічних станцій

Перспектива створення у майбутньому великої космічної станції багато в чому залежить від неї
системи електропостачаннящо істотно впливає на загальну масу станції, надійність, управління та вартість. Великі розміри, безліч споживачів, забезпечення можливості подальшого вдосконалення космічної станції висувають вимоги, які суттєво відрізняються від тих, які пред’являлися до інших космічних систем енергопостачання. Незважаючи на те, що така система може мати великі розміри, вона повинна бути здатна добре адаптуватися до навантажень, що постійно змінюються; що робить її більш схожою на автономну наземну енергетичну установку, ніж типову
систему електропостачання космічного апарату, що має певний склад споживачів, що не змінюється.

Проблем проектування та створення систем електропостачання для великих
космічних станцій присвячено чимало наукових статей, у яких розглядаються джерела електричної енергії, лінії електропередач, перетворювачі та розподільники електроенергії.

Проблеми вибору джерел електричної енергії

В основному як можливі джерела електричної енергії розглядають такі: фотоелектронні з електрохімічним накопиченням енергії; джерела, побудовані динамічному перетворенні сонячної енергії з термічним накопиченням енергії; атомні енергетичні установки

Для фотоелектронного перетворення сонячної енергії використовуються великі (8 x 8 см) кремнієві елементи, які встановлюються на гнучкі панелі, що розгортаються.

Для накопичення енергії застосовують паливні елементи, нікель – кадмієві та нікель-водневі батареї.

Паливні елементи накопичують надлишкову електричну енергію, одержувану від сонячних батарей, за допомогою генерації кисню та водню у процесі електролізу води. Електроенергія потім може бути отримана з теплової, яка виділяється при з’єднанні накопиченого кисню та водню. Такий метод накопичення електричної енергії значно гнучкий, і паливні елементи значно легші за батареї, але має низьку ефективність і надійність.

Нікель-кадмієві батареї виготовляються на основі добре відпрацьованої технології. Вони вже давно успішно використовуються в космічних апаратах, хоча низька глибина розряду призводить до значного збільшення їхньої маси.

Нікель-водневі батареї були обрані для космічних платформ, тому що вони більш надійні, ніж паливні елементи, і при цьому на 50% легше, ніж нікель-кадмієві батареї. Нині нікель-водневі батареї використовуються на геостаціонарних орбітах. Але що на низькій орбіті, де розташовуватиметься космічна станція, вони випробовуватимуть набагато більше циклів заряду-розряду на рік. Проведені випробування довели, що час роботи нікель-водневих батарей на низькій навколоземній орбіті становить близько п’яти років.

Незважаючи на те, що фотоелектронні джерела широко використовуються в космосі, сонячні динамічні енергоустановки виявилися більш ефективними та менш дорогими. p align=»justify»> Принцип роботи сонячних динамічних установок полягає в наступному: сонячні промені фокусуються параболічним відбивачем на приймачі, який нагріває робоче тіло, що приводить в дію двигун або турбіну.

Потім механічна енергія перетворюється генератором електричну. Для накопичення термічної енергії використовується сіль, що розплавляється у приймачі.

Під час затемнення сіль остигає та віддає тепло для розширення робочого тіла. Відбивач складається з вигнутих трикутних пластин, із дзеркальною поверхнею, встановлених на гексогональних конструкціях, з’єднаних 14-ти футовими штангами з космічною платформою.

Ефективність сонячної динамічної енергоустановки становить 20 – 30%; порівняння, ефективність кремнієвих фотоелементів становить 14 %.

Ефективність термічного накопичувача понад 90%, акумуляторних батарей – 70 – 80%, паливних елементів – 55%. Вища ефективність дозволяє зменшити площу збирача сонячної енергії, що полегшує вирішення проблем динаміки станції. Найменший лобовий опір особливо важливий при розміщенні станції на низькій висоті — при тій же витраті палива і на тій же орбіті збільшується час життя станції.

Незважаючи на те, що в даний час сонячні динамічні енергоустановки ще не використовуються в космосі, існує потужна технологічна база, розроблена для застосування в наземних і аероповітряних умовах. Як робоче тіло застосовують толієн (органічний цикл Ранкіна з температурою подачі в турбіну 750 F) або гелій-ксенон (цикл Брайтона з температурою подачі в турбіну 1300 F). Установки з органічним циклом Ранкіна потужністю від кількох кіловат до кількох сотень кіловат використовуються в наземних умовах. Установки із циклом Брайтона використовуються для електропостачання систем керування газових турбін; багато хто з них має тисячі годин напрацювання.

У програмі НАСА 1960 р. було випробувано установку з робочим циклом Брайтона, яка тестувалася 50,000 годин. Ця ж установка потім була успішно випробувана у вакуумній камері.

Проблеми проектування ліній електропередач

Застосування атомних енергетичних установок пов’язані з багатьма проблемами. Проте вже існує проект ядерної космічної електростанції SP-100, яка розробляється для забезпечення енергією пілотованої космічної платформи LEO. Для зменшення на астронавтів радіації, SP-100 встановлюється на відстань 1 – 5 км від платформи. Перевага цього методу полягає в тому, що значно зменшується маса захисної оболонки реактора, а отже, і загальна маса системи. Однак при цьому виникає проблема передачі енергії від джерела до платформи на відстань від 1 до 5 км.

Після термоелектричного перетворення SP-100 генерує напругу 200 постійного струму. Це досить висока напруга, ніж необхідна більшості споживачів космічної платформи, але недостатньо висока для допустимої маси з’єднувального кабелю. Для зменшення необхідної маси з’єднувального кабелю потрібне високовольтне перетворення. У деяких роботах показано, що можна з’єднати SP-100 з космічною платформою за допомогою кабелів із коаксіальною оболонкою, яка служить для повної ізоляції провідника від космічної плазми.

Ця оболонка необхідна, оскільки поведінка космічної плазми залежить від напруженості електричного поля поблизу провідника. Експеримент Spear показав, що можливо залишити високовольтний кабель незахищеним, і це не призведе до розриву провідника, але напруженість електричного поля не повинна перевищувати 400 В/см.

Напруженість електричного поля поблизу кабелю, що зв’язує SP-100 з космічною платформою, становитиме 20 – 100 кВ/см.

Однак, при цьому з’являються нові проблеми: коаксіальна оболонка має велику площу поверхні, і, отже, піддаватиметься впливу метеоритів.

Крім того, поблизу ядерного реактора, рівень радіації високий.

Це викликає виникнення в кабелі вихрових струмів, що призводить до нагрівання кабелю та зменшення провідності.

У процесі проектування була розроблена конструкція, що дозволяє компактно розмістити в одній захисній оболонці (метеоритний бампер) кілька високовольтних коаксіальних кабелів. Для збільшення захищеності кабелю та зменшення його маси застосовується газове охолодження. При застосуванні газового охолодження в одному метеоритному бампері розташовується чотири коаксіальні кабелі, і цей бампер має діаметр у чотири рази менший, ніж бампер з двома коаксіальними кабелями і з полімерною ізоляцією.

Проблеми проектування перетворювачів та розподільників електричної енергії

Система електропостачання та підсистеми розподілу космічної станції, як зазначалося раніше, повинні бути зручними в експлуатації, добре пристосовуватися до зміни типу та величини навантаження, та мати можливість подальшого розширення. Висока споживана потужність станції — 75 кВт з можливим збільшенням до 300 кВт — вимагає вищої розподільної напруги, ніж 28 В, яка зазвичай використовується в космічних апаратах.

Точний розрахунок системи показав, що розподільна напруга має бути 440 В. При виборі частоти струму були розглянуті як можливі частоти — 20 кГц, 400 Гц, і постійний струм.

Постійний струм має переваги у підключенні до певних споживачів, але напругу змінного струму можна легко змінити.

У літаках зазвичай застосовується змінний струм частотою 400 Гц. Але в космічних умовах виникає низка проблем — акустичні шуми, електромагнітна інтерференція та інші.

Високовольтні 20 кГц хвильові системи поки що не застосовувалися в космічній та аероповітряній техніці, але їхнє застосування дуже перспективне. При застосуванні високої частоти, компоненти систем електропостачання стають менше в розмірах, легше, більш ефективними, особливо, коли застосовується резонансне перетворення змінного струму на постійний, постійного на змінний, постійного на постійний, або змінного на змінний.

Високовольтним 20 кГц системам електропостачання присвячено низку робіт, у яких розглядаються різні проблеми проектування таких систем — конфігурація системи, перетворювачі, вплив електромагнітної інтерференції, мінімізація гармонійних спотворень у перетворювачах.

p align=»justify»> Важливою проблемою проектування високочастотних систем електропостачання є мінімізація кількості перетворення електроенергії при передачі її від джерела до споживача. Кожне перетворення енергії збільшує складність системи, її масу, спотворює форму хвилі, збільшує втрати енергії. Найбільш оптимальний варіант, коли використовується тільки два перетворення постійного струму на змінний, для передачі енергії від джерела до споживача, і змінного струму на постійний, для певних споживачів. Для другого перетворення велике значення має стандартизація напруги споживачів.

бібліографічний список

  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 і Distribution System. Lewis Research Center, Cleveland, Ohio 44135.
  4. Louis F. Lollar, Roberts E. Kapustka, мінімізуючи повну відпустку для 3 кВ, 20 кГц AC на DC конвертер використовуючи спецію, NASA/Marshal Spase Flight Center, Huntaville, Alabama.
  5. 5. Irving G. Hansen, Frederick J. Wolff, 20kHz space station power system, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio 44135.

© Реферат плюс



Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *