Реферат: Проблемы современной энергетики

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение........................................3

1.Проблемывыбора источников электрической

энергии.........................................4

2.Проблемыпроектирования линий электропередач..5

3.Проблемыпроектирования преобразвателей и

распределителей электрической энергии...........9

Списоклитературы..............................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 возможностидальнейшего

совершенствования космической станции выдвигаюттребования,

существенно отличающиеся от тех, которыепредъявлялись к

другим космическим системам энергоснабжения. Несмотря нато,

что такая система может иметь большие размеры, она должна

быть способна хорошо адаптироваться к постоянноменяющимся

нагрузкам; что делает ее более похожей на автономнуюназемную

энергетическую установку, чем на типичную систему

электроснабжения космического аппарата, имеющую

определенный, неменяющийся состав потребителей.

Проблемампроектирования и создания систем

электроснабжения для крупных космических станцийпосвящено

немало научных статей, в которых рассматриваются источники

электрической энергии, линии электропередач,преобразователи

и распределители электороэнергии.

— 4 -

1.Проблемывыбора источников электрической энергии.

В основном, в качестве возможных источников

электрической энергии рассматривютследующие [1] :

— фотоэлектронные с электрохимическим накоплением

энергии;

— источники построенные на динамическом

преобразовании солнечной энергии с термическимнакоплением

энергии;

— атомныеэнергетические установки [2].

Для фотоэлекторнногопреобразования солнечной

энергии используются большие ( 8x8 см ) кремниевыеэлементы,

которые устанавливаются на гибкие развертываемые панели.

Длянакопления энергии применяют топливные

элементы, никель- кадмиевые и никель-водородныебатареи.

Топливныеэлементы накапливают избыточную

электрическую эенергию,получаемую от солнечных батерей,

посредством генерации кислорода и водорода в процессе

электролиза воды. Электроэнергия затем может бытьполучена

из тепловой, которая выделяется при соединениинакопленного

кислорода и водорода.Такойметод накопления электрической

энергии значительно гибок и топливные элементызначительно

легче батарей, но имеет низкую эффективность инадежность.

Никель-кадмиевыебатареи изготавливаются на основе

хорошо отработанной технологиии.Они уже давно успешно

используются в космических аппаратах, хотя низкая глубина

— 5 -

разряда приводит к значительному увеличению ихмассы.

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 испытанияпоказали,

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, которыйнагревает

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, сзеркальной поверхностью, установленных

на гексогональных конструкцяхсоединенных 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 уменьшитьплощадь

собирателя солнечной энергии, что облегчает решениепроблем

динамики станции. Меньшее лобовое сопротивлениеособенно

важно при размещении станции на низкой высоте — при томже

расходе топлива и на той же орбите увеличивается время

жизни станции.

Несмотряна то, что в настоящее время солнечные

динамические энергоустановки еще не используются вкосмосе,

уже существуюет мощнаятехнологическая база, разработанная

для применения в наземных и аэровоздушных условиях. В

качестве рабочего тела применяют толиен(органический цикл

Ранкина с температурой подачи в турбину <st1:metricconverter ProductID=«750F» w:st=«on»>750F</st1:metricconverter>) или

гелий-ксенон ( цикл Брайтона с температурой подачи втурбину

<st1:metricconverter ProductID=«1300F» w:st=«on»>1300F</st1:metricconverter>). Установки с органическим циклом Ранкина мощностью

от нескольких киловатт до нескольких сотен киловатт

используются в наземных условиях. Установки с циклом

Брайтона используются для электроснабжения системуправления

газовых турбин; многие из них имеют тысячи часов наработки.

В программе НАСА <st1:metricconverter ProductID=«1960 г» w:st=«on»>1960 г</st1:metricconverter>. была испытана установка с рабочим

циклом Брайтона, которая тестировалась 50,000 часов. Этаже

установка затем была успешно испытана в вакуумной камере.

— 7 -

2.Проблемыпроектирования линий электропередач.

Применениеатомных 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 воздействияна

астронавтов радиации, SP - 100 устанавливается на

расстояние 1 — <st1:metricconverter ProductID=«5 км» w:st=«on»>5 км</st1:metricconverter> от платформы. Преимущество этого метода

заключается в том, что значительно уменьшается масса

защитной оболочки реактора, а следовательно и общаямасса

системы. Однако, при этом возникает проблема передачи

энергии от источника до платформы на расстояние от 1 до 5

км.

Послетермоэлектрического преобразования SP — 100

генерирует напряжение 200 В постоянного тока. Этодостаточно

высокое напряжение, чем необходимое для большинства

потребителей космической платформы, но недостаточновысокое

для допустимой массы соединительного кабеля. Дляуменьшения

необходимой массы соединительного кабеля необходимо

высоковольтное преобразование. В некоторых работахпоказано,

что возможно соединить SP — 100 с космической платформойс

помощью кабелей скоаксиальной оболочкой, которая служит

для полной изоляции проводника от космической плазмы.

Эта оболочка необходима, так как поведение космической

плазмы сильно зависит от напряженности электрическогополя

— 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 радиациивысок.

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 ис

полимерной изоляцией.

— 9 -

3.Проблемыпроектирования преобразвателей и

распределителей электрической энергии.

Система электроснабжения и подсистемыраспределения

космической станции, как указывалось ранее, должны быть

удобными в эксплуатации, хорошо приспосабливаться к

изменению типа ивеличины 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 токабыли

рассмотрены в качестве возможных частот — 20 кГц, 400 Гц,и

постоянный ток.

Постоянныйток 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 условияхвозникает ряд

проблем — акустические шумы, электромагнитнаяинтерференция

и другие.

Высоковольтные 20 кГц волновые системы пока еще не

применялись в космической и аэровоздушнойтехнике, 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, постоянногов

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 источникак

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 -

Списоклитературы

1.Ronald L. Thomas,Power is the keystone, Aerospace

<st1:country-region w:st=«on»><st1:place w:st=«on»>America</st1:place></st1:country-region>,Sept.,1986.

2. DavidJ. Bents,Power transmission studies for thedered

SP-100,<st1:PlaceName w:st=«on»>Lewis</st1:PlaceName> <st1:PlaceName w:st=«on»>Research</st1:PlaceName><st1:PlaceType w:st=«on»>Center</st1:PlaceType>,<st1:place w:st=«on»><st1:City w:st=«on»>Cleveland</st1:City>,<st1:State w:st=«on»>Ohio</st1:State> <st1:PostalCode w:st=«on»>44135</st1:PostalCode></st1:place>.

3. IrvingG. Hansen, Gale R. Sandberg,Space station 20-kHz

powermanagement and distribution system. Lewis Research

Center,<st1:place w:st=«on»><st1:City w:st=«on»>Cleveland</st1:City>,<st1:State w:st=«on»>Ohio</st1:State> <st1:PostalCode w:st=«on»>44135</st1:PostalCode></st1:place>.

4. LouisF. Lollar, Roberts E. Kapustka,Minimizing the

totaldistortion for a 3 kW, 20 kHz AC to DC converter using

spice,NASA/Marshal Spase Flight Center,<st1:place w:st=«on»><st1:City w:st=«on»>Huntaville</st1:City>,<st1:State w:st=«on»>Alabama</st1:State></st1:place>.

5.Irving G. Hansen, Frederick J. Wolff, 20kHz space station

power system,<st1:PlaceName w:st=«on»>Lewis</st1:PlaceName> <st1:PlaceName w:st=«on»>Research</st1:PlaceName> <st1:PlaceType w:st=«on»>Center</st1:PlaceType>,<st1:place w:st=«on»><st1:City w:st=«on»>Cleveland</st1:City>,<st1:State w:st=«on»>Ohio</st1:State> <st1:PostalCode w:st=«on»>44135</st1:PostalCode></st1:place>.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Развитие средств связи

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Ионосфера и распространение радиоволн

25 Июня 2015

Реферат по радиоэлектронике

Стандарты схем и их разновидности

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Диод

29 Августа 2013