Проблемы проектирования и создания систем электроснабжения для крупных космических станций

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Проблемы выбора источников электрической энергии

2. Проблемы проектирования линий электропередач

3. Проблемы проектирования преобразователей и распределителей электрической энергии

Список литературы

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.

1. Проблемы выбора источников электрической энергии.

В основном, в качестве возможных источников электрической энергии рассматривают следующие [1]: фотоэлектронные с электрохимическим накоплением энергии; источники построенные на динамическом преобразовании солнечной энергии с термическим накоплением энергии; атомные энергетические установки [2].

Для фотоэлектронного 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 энергию, получаемую от солнечных батарей, 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 технологии. Они уже давно успешно используются в космических аппаратах, хотя низкая глубина разряда приводит к значительному увеличению их массы.

Никель-водородные батарей были выбраны для космических платформ, так как они более надежны, чем топливные элементы, 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 конструкциях соединенных 14-ти футовыми штангами с космической платформой.

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 существует 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.