Проблеми на съвременната енергетика
СЪДЪРЖАНИЕ
1. Проблеми при избора на електрически източници
2.Проблеми на проектирането на електропроводи..5
3.Проблеми на проектирането на преобразуватели и
разпределители на електрическа енергия. 9
Библиография. единадесет
Перспективата за създаване на голяма космическа станция в бъдеще зависи до голяма степен от нейната система за захранване, което значително влияе върху общата маса на станцията, надеждността, контрола и разходите. Големи размери, много потребители, осигуряващи възможност за по-нататъшно усъвършенстване на космическата станция, поставят изисквания, които са значително различни от тези, които бяха наложени на други системи за космическо захранване. Въпреки че такава система може да е голяма, тя трябва да може да се адаптира добре към постоянно променящите се натоварвания; което я прави по-скоро автономна наземна електроцентрала, отколкото типична система за захранване на космически кораби, която има определен, непроменлив състав на потребителите.
Много научни статии са посветени на проблемите на проектирането и създаването на системи за захранване на големи космически станции, които се занимават с източници на електрическа енергия, електропроводи, преобразуватели и разпределители на електрическа енергия.
1. Проблеми при избора на източници на електрическа енергия.
По принцип следните [1] се считат за възможни източници на електрическа енергия:
- фотоелектронни с електрохимично съхранение на енергия;
- източници, изградени на базата на динамично преобразуване на слънчева енергия със съхранение на топлинна енергия;
- атомни електроцентрали [2].
За фотоелектрическо преобразуване на слънчева енергия, голям (8x8 cm)силициеви елементи, които се монтират върху гъвкави разгъваеми панели.
За съхранение на енергия се използват горивни клетки, никел-кадмиеви и никел-водородни батерии.
Горивните клетки съхраняват излишната електрическа енергия от слънчеви панели чрез генериране на кислород и водород чрез електролиза на вода. След това електричеството може да бъде получено от топлинната енергия, освободена при комбинирането на съхранявания кислород и водород.Този метод за съхраняване на електрическа енергия е много по-гъвкав и горивните клетки са много по-леки от батериите, но имат ниска ефективност и надеждност.
Никел-кадмиевите батерии се произвеждат по добре утвърдена технология. Те отдавна се използват успешно в космически кораби, въпреки ниската дълбочина
- 5 - изхвърлянето води до значително увеличаване на тяхната маса.
Никел-водородните батерии бяха избрани за космически платформи, защото са по-надеждни от горивните клетки, като същевременно са с 50% по-леки от никел-кадмиевите батерии. В момента в геостационарни орбити се използват никел-водородни батерии. Но в ниска орбита, където ще бъде разположена космическата станция, те ще претърпят много повече цикли на зареждане-разреждане на година. Тестовете показват, че времето за работа на никел-водородни батерии в ниска околоземна орбита е около пет години.
Въпреки факта, че фотоелектронните източници се използват широко в космоса, слънчевите динамични електроцентрали се оказаха по-ефективни и по-евтини. Принципът на действие на слънчевите динамични инсталации е следният: слънчевите лъчи се фокусират от параболичен рефлектор върху приемника, който загрява работната течност, която задвижва двигателя илитурбина. След това механичната енергия се преобразува в електрическа от генератора. За натрупване на топлинна енергия се използва сол, която се разтопява в приемника. По време на потъмняването солта се охлажда и отделя топлина за разширяване на работния флуид. Рефлекторът се състои от извити триъгълни плочи с огледална повърхност, монтирани върху шестоъгълни конструкции, свързани с 14-футови пръти към космическата платформа.
Ефективността на слънчевата динамична централа е 20-30%; за сравнение ефективността на силициевите соларни клетки е 14%. Ефективността на топлинното съхранение е повече от 90%, батериите - 70-80%, горивните клетки - 55%. По-високата ефективност намалява площта на колектора на слънчевата енергия, което улеснява решаването на проблемите с динамиката на станцията. По-малкото съпротивление е особено важно, когато станцията е разположена на ниска надморска височина - при същия разход на гориво и в същата орбита, животът на станцията се увеличава.
Въпреки факта, че в момента слънчевите динамични електроцентрали все още не се използват в космоса, вече има мощна технологична база, разработена за използване в условия земя и въздух-въздух. Като работна течност се използва толиен (органичен цикъл на Ранкин с температура на захранване на турбината 750F) или хелий-ксенон (цикъл на Брайтън с температура на захранване на турбината 1300F). В земни условия се използват растения с органичен цикъл на Ранкин с мощност от няколко киловата до няколкостотин киловата. Блоковете с цикъл на Брайтън се използват за захранване на системи за управление на газови турбини; много от тях имат хиляди работни часове. Програмата на НАСА от 1960 г. тества настройката на работния цикъл на Брайтън, която беше тествана за 50 000 часа. Това същотослед това настройката беше успешно тествана във вакуумна камера.
2.Проблеми на проектирането на електропроводи.
Използването на атомни електроцентрали е свързано с много проблеми. Въпреки това вече има проект за атомна космическа електроцентрала SP - 100, която се разработва за осигуряване на енергия на пилотираната космическа платформа LEO [2]. За да се намали въздействието на радиацията върху космонавтите, SP - 100 е инсталиран на разстояние 1 - 5 км от платформата. Предимството на този метод е, че масата на защитната обвивка на реактора, а оттам и общата маса на системата, е значително намалена. Това обаче повдига проблема с преноса на енергия от източника към платформата на разстояние от 1 до 5 км.
След термоелектрическо преобразуване, SP - 100 генерира напрежение от 200 V DC. Това е достатъчно високо напрежение, отколкото е необходимо за повечето потребители на космически платформи, но не е достатъчно високо за допустимото тегло на свързващия кабел. Преобразуването на високо напрежение е необходимо, за да се намали необходимото тегло на свързващия кабел. Някои документи показват, че е възможно да се свърже SP - 100 към космическата платформа с помощта на кабели с коаксиална обвивка, която служи за пълно изолиране на проводника от космическата плазма. Тази обвивка е необходима, тъй като поведението на космическата плазма силно зависи от силата на електрическото поле
- 8 - близо до проводника. Експериментът SPEAR показа, че е възможно кабел с високо напрежение да се остави незащитен, без да се счупи проводникът, но силата на електрическото поле не трябва да надвишава 400 V/cm. Напрегнатостта на електрическото поле в близост до кабела, свързващ SP - 100 с космическата платформа, ще бъде 20 - 100 kV/cm.
Въпреки това приТова създава нови проблеми: коаксиалната обвивка има голяма повърхност и следователно ще бъде засегната от метеорити. Освен това в близост до ядрен реактор нивото на радиация е високо. Това причинява вихрови токове в кабела, което води до нагряване на кабела и намаляване на проводимостта.
По време на процеса на проектиране е разработен дизайн, който позволява компактно разполагане на няколко високоволтови коаксиални кабела в една защитна обвивка (метеоритна броня). За повишаване на сигурността на кабела и намаляване на теглото му се използва газово охлаждане. При използване на газово охлаждане четири коаксиални кабела са разположени в една метеорна броня, като тази броня има четири пъти по-малък диаметър от броня с два коаксиални кабела и полимерна изолация.
3.Проблеми на проектирането на преобразуватели и
разпределители на електрическа енергия.
Системата за захранване и разпределителните подсистеми на космическата станция, както беше споменато по-рано, трябва да бъдат лесни за работа, да се адаптират добре към промените в вида и големината на натоварването и да могат да бъдат допълнително разширявани. Високата консумация на енергия на станцията от 75kW с възможно увеличение до 300kW изисква по-високо разпределително напрежение от 28V, което обикновено се използва в космическите кораби. Точното изчисление на системата показа, че разпределителното напрежение трябва да бъде 440 V. При избора на честотата на тока са взети предвид възможните честоти - 20 kHz, 400 Hz и постоянен ток.
DC има предимства при свързване към определени консуматори, но AC напрежението може лесно да се промени.
Самолетите обикновено използват променлив ток с честота 400 Hz. Но в космосавъзникват редица проблеми - акустичен шум, електромагнитни смущения и др.
Вълновите системи с високо напрежение 20 kHz все още не са използвани в космическото и космическото инженерство, но приложението им е много обещаващо. При използване на високо
честота, компонентите на енергийната система стават по-малки, по-леки, по-ефективни, особено когато се прилага резонансно резонансно преобразуване AC-to-DC, DC-към-AC, DC-към-DC или AC-към-AC.
Редица работи [3,4,5] са посветени на високоволтови 20 kHz захранващи системи, в които се разглеждат различни проблеми при проектирането на такива системи - конфигурация на системата, преобразуватели, ефект на електромагнитни смущения, минимизиране на хармоничните изкривявания в преобразувателите.
Важен проблем при проектирането на високочестотни захранващи системи е минимизирането на количеството преобразуване на електроенергия при прехвърлянето й от източник към потребител. Всяко преобразуване на енергия увеличава сложността на системата, нейната маса, изкривява формата на вълната, увеличава загубите на енергия. Най-оптималният вариант е, когато се използват само две преобразувания - постоянен ток към променлив ток, за пренос на енергия от източник към потребител, и променлив ток към постоянен ток, за определени консуматори. За второто преобразуване от голямо значение е стандартизирането на консуматорските напрежения.
1. Роналд Л. Томас, Силата е ключовият камък, Aerospace America, септември 1986 г. 2. Дав >