Źródła energii elektrycznej dla statku kosmicznego, dokument zatytułowany. Układ zasilania zespołu pokładowego statku kosmicznego (160,00 RUB) Katedra Inżynierii i Technologii Kosmicznej

MAMA. Pietrowiczew, A. S. GURTOV SYSTEM ŹRÓDŁO ENERGII NA POKŁADZIE ZŁOŻONY Wagonów kosmicznych Zatwierdzony przez Radę Redakcyjno-Wydawniczą Uczelni jako pomoc dydaktyczna Wydawnictwo SAMARA SSAU 2007 UDC 629.78.05 BBK 39.62 P306 C T I O N A L P R E T E N A O R Y O Y E C T I O N Innowacyjny program edukacyjny „Rozwój centrum kompetencji i kształcenie światowej klasy specjalistów w dziedzinie dziedzinie technologii informacji kosmicznej i geograficznej” PR I Recenzenci: Doktor nauk technicznych A.<...>Koptev, zastępca. Kierownik wydziału Państwowego Centrum Badań Naukowych „TsSKB - Postęp” S. I. Minenko P306 Pietrowicz MAMA.<...>System źródło energii na pokładzie złożony statek kosmiczny: podręcznik. zasiłek / MA Pietrowicz, JAK. Gurtow.<...>Podręcznik przeznaczony jest dla studentów specjalności 160802” Przestrzeń urządzenia i bloki przyspieszające.”<...>UDC 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Petrovichev M.A., Gurtov AS, 2007 © Samara State Aerospace University, 2007 System zasilacz pokładowy kompleks statków kosmicznych Ze wszystkich rodzajów energii najbardziej uniwersalna jest energia elektryczna.<...>. System zasilacz(SES) Kalifornia to jeden z najważniejszych systemów zapewniających funkcjonalność Kalifornia. <...>O niezawodności SES w dużej mierze decyduje redundancja wszystkich typów źródeł, konwerterów, przełączanie sprzęt i sieci.<...>Struktura systemy zasilacz Kalifornia Podstawowy system zasilacz Kalifornia Jest system prąd stały.<...>Aby przeciwdziałać szczytom obciążenia, użyj bufor źródło. <...>Po raz pierwszy wielokrotnego użytku Kalifornia W Shuttle zastosowano bezbuforowy system zasilania.<...> 4 System dystrybucja Konwerter Konwerter Konwerter sieciowy Podstawowy źródło Bufor źródło Ryż.<...>Budowa aparatu kosmicznego systemu zasilania energią elektryczną Bufor źródło charakteryzuje się tym, że całkowita energia, którą wytwarza, wynosi zero.<...>Aby dopasować charakterystykę akumulatora do źródła pierwotnego i sieci, użyj<...>

System_zaopatrzenia_energii_pokładowej_kompleksu_statku kosmicznego_.pdf

FEDERALNA AGENCJA EDUKACJI PAŃSTWOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA WYŻSZEJ SZKOLNICTWA ZAWODOWEGO „SAMARA PAŃSTWOWY UNIWERSYTET LOTNICZY im. Academician S.P. QUEEN" M. A. PETROVICHEV, A. S. GURTOV SYSTEM ZASILANIA POKŁADOWEGO KOMPLEKSU WAGÓW KOSMICZNYCH Zatwierdzony przez Radę Redakcyjno-Wydawniczą Uniwersytetu jako pomoc dydaktyczna Wydawnictwo S A M A R A SSAU 2007

Strona 1

UDC 629.78.05 BBK 39.62 P306 Innowacyjny program edukacyjny „Rozwój centrum kompetencji i szkolenie światowej klasy specjalistów w dziedzinie technologii lotniczych i geoinformacyjnych” Recenzenci: Doktor Nauk Technicznych A. N. Koptev, Zastępca Kierownika Wydziału Naukowego Państwa Centrum badawcze RKTs TsSKB - Progress” S. I. M i nenko Petrovichev M. A. P306 System zasilania kompleksu pokładowego statku kosmicznego: podręcznik / M. A. Petrovichev, A. S. Gurtov. - Samara: Samara Publishing House State Aerospace University, 2007. – 88 s. : rys. ISBN 978-5-7883-0608-7 Rola i znaczenie układu zasilania statku kosmicznego, omówiono elementy tego układu, szczególną uwagę zwrócono na uwzględnienie zasad działania i urządzeń zasilających materiały eksploatacyjne, cechy ich zastosowania w technice kosmicznej.Podręcznik zawiera dość obszerny materiał referencyjny, który może zostać wykorzystany w pracach dydaktycznych i projektowaniu dyplomów przez studentów specjalności nieelektrycznych.Podręcznik przeznaczony jest dla studentów specjalności 160802 „Statki kosmiczne i stopnie wyższe”. Może przydać się także młodym specjalistom z branży rakietowej i kosmicznej. Opracowano w Katedrze Lotnictwa. UDC 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 © Petrovichev M. A., Gurtov AS, 2007 © Samara State Aerospace University, 2007 PRZED I T T K E T O N E N A T I O A N L N Y P R E S

Strona 2

System zasilania pokładowego kompleksu statków kosmicznych Ze wszystkich rodzajów energii najbardziej uniwersalna jest energia elektryczna. W porównaniu z innymi rodzajami energii posiada szereg zalet: energię elektryczną łatwo przekształca się w inny rodzaj energii, sprawność instalacji elektrycznych jest znacznie wyższa od sprawności instalacji zasilanych innymi rodzajami energii, energia elektryczna jest łatwa do przesyłać przewodami do konsumenta, energia elektryczna jest łatwo rozprowadzana wśród odbiorców. Automatyzacja procesów sterowania lotem dowolnego statku kosmicznego (SC) jest nie do pomyślenia bez energii elektrycznej. Energia elektryczna wykorzystywana jest do napędzania wszystkich elementów urządzeń i wyposażenia statku kosmicznego (grupa napędowa, sterowanie, systemy łączności, oprzyrządowanie, ogrzewanie itp.). Układ zasilania (PSS) statku kosmicznego jest jednym z najważniejszych układów zapewniających działanie statku kosmicznego. Główne wymagania dla SES: zaopatrzenie w energię niezbędną do wykonania całego lotu, niezawodna praca w warunkach nieważkości, niezbędna niezawodność zapewniona przez redundancję (pod względem mocy) głównego źródła i bufora, brak emisji i zużycia gazów, możliwość pracy w dowolnej pozycji w przestrzeni, minimalna waga, minimalne koszty. Cała energia elektryczna niezbędna do realizacji programu lotu (dla normalnej pracy, a także dla niektórych nienormalnych) musi znajdować się na pokładzie statku kosmicznego, ponieważ jej uzupełnienie jest możliwe tylko na stacjach załogowych. Wiarygodność SES w dużej mierze zależy od 3

Wynalazek dotyczy dziedziny energii kosmicznej, w szczególności pokładowych systemów zasilania statków kosmicznych (SC). Według wynalazku układ zasilania statku kosmicznego składa się z baterii słonecznej, stabilizatora napięcia, akumulatora, regulatora ekstremalnej mocy, przy czym stabilizator napięcia baterii słonecznej i urządzenie rozładowujące baterię są wykonane w technologii w postaci falowników mostkowych ze wspólnym transformatorem, podczas gdy wejście ładowarki jest podłączone do uzwojenia wyjściowego transformatora, urządzenia zasilające o własnym napięciu wyjściowym AC lub DC są podłączone do pozostałych uzwojeń wyjściowych transformatora, a jedno urządzeń zasilających obciążenie jest podłączone do stabilizatora baterii słonecznej i urządzenia rozładowującego akumulator. Rezultatem technicznym jest rozszerzenie możliwości systemu zasilania statku kosmicznego, poprawa jakości napięcia wyjściowego, zmniejszenie kosztów rozwoju i produkcji oraz skrócenie czasu rozwoju systemu. 1 chory.

Rysunki do patentu RF 2396666

Niniejszy wynalazek dotyczy dziedziny energii kosmicznej, a dokładniej pokładowych systemów zasilania (EPS) statków kosmicznych (SC).

Powszechnie znane są systemy zasilania statku kosmicznego, składające się z baterii słonecznej, akumulatora, a także zestawu urządzeń elektronicznych zapewniających wspólną pracę tych źródeł dla obciążenia statku kosmicznego, konwersji napięcia i stabilizacji.

Charakterystyka taktyczno-techniczna SEP, a dla technologii kosmicznej najważniejsza z nich to moc właściwa, tj. stosunek mocy generowanej przez system zasilania do jego masy (Pud=Psep/Msep) zależy przede wszystkim od specyficznych charakterystyk masowych zastosowanych źródeł prądu, ale także w dużej mierze od przyjętego schematu strukturalnego SPR, utworzonego przez zespół urządzeń elektronicznych PDS, który decyduje o sposobach eksploatacji źródeł i efektywności wykorzystania ich potencjału.

Znane są układy zasilania statków kosmicznych, których schematy strukturalne zapewniają: stabilizację napięcia stałego na obciążeniu (z dokładnością 0,5-1,0% wartości nominalnej), stabilizację napięcia na baterii słonecznej, co zapewnia odprowadzenie z niej prądu w pobliżu optymalną charakterystykę prądowo-napięciową punktu pracy (charakterystyka woltoamperowa), a także wdraża optymalne algorytmy sterowania trybami pracy akumulatorów, umożliwiając zapewnienie najwyższych możliwych parametrów pojemnościowych podczas długotrwałego cyklu akumulatorów na orbicie. Jako przykład takich układów zasilania przedstawiamy projekt układu zasilania geostacjonarnego statku kosmicznego łączności w artykule MOC DLA SATELITA TELEKOMUNIKACYJNEGO. L.Croci, P.Galantini, C.Marana (Proceedings of the European Space Power Conference, która odbyła się w Graz, Austria, 23-27 sierpnia 1993 (ESA WPP-054, sierpień 1993). Proponowany PDS o mocy 5 kW, z napięcie 42 V. Efektywność wykorzystania mocy baterii słonecznej wynosi 97%, efektywność wykorzystania pojemności baterii wynosi 80% (na koniec 15-letniego okresu użytkowania statku kosmicznego).

Schemat strukturalny PDS przewiduje podział baterii słonecznej na 16 sekcji, z których każda jest regulowana własnym stabilizatorem napięcia bocznikowego, a wyjścia sekcji są połączone poprzez diody odsprzęgające do wspólnej stabilizowanej szyny, która utrzymuje 42 V ± 1%. Stabilizatory bocznikowe utrzymują napięcie 42 V na odcinkach baterii słonecznej, a konstrukcja baterii słonecznej jest tak zaprojektowana, aby po 15 latach optymalny punkt pracy charakterystyki prądowo-napięciowej odpowiadał temu napięciu.

Zdecydowana większość zagranicznych systemów zasilania i szereg krajowych statków kosmicznych, takich jak np. HS-702, A-2100 (USA), Spacebus-3000, 4000 (Europa Zachodnia), Sesat, „Express-AM”, „Jamał” (Rosja) itp.

W artykule „Zespół przyrządów satelitarnych systemów zasilania z ekstremalną regulacją mocy baterii słonecznej” autorzy V.S. Kudryashov, M.V. Nesterishin, A.V. Zhikharev, V.O. Elman, A.S. , tom 47, kwiecień 2004, nr 4) przedstawiają opis schemat strukturalny układu przeniesienia napędu z ekstremalnym regulatorem mocy baterii słonecznej, pokazuje wpływ takiej regulacji na geostacjonarnego satelitę komunikacyjnego „Express-A”, który według wyników pomiarów lotu wyniósł aż 5% wzrost w wyjściowej mocy akumulatora. Zgodnie ze schematem z ekstremalnym regulatorem baterii słonecznej wykonane są systemy zasilania wielu domowych statków kosmicznych, takich jak geostacjonarny statek kosmiczny „Gals”, „Express”, wysokoorbitalny „Glonass-M”, niskoorbitalny „Gonets” itp.

Pomimo osiągniętych wysokich parametrów taktyczno-technicznych SEP współczesnych statków kosmicznych, mają one wspólną wadę - nie są uniwersalne, co ogranicza zakres ich zastosowania.

Wiadomo, że do zasilania różnych urządzeń konkretnego statku kosmicznego potrzebnych jest kilka wartości znamionowych napięcia zasilania, od jednostek do dziesiątek i setek woltów, podczas gdy w zaimplementowanym PDS tworzona jest na przykład pojedyncza szyna zasilająca prądem stałym o jednej wartości znamionowej , 27 V lub 40 V lub 70 B lub 100 B.

Przy zmianie napięcia zasilania jednego urządzenia na inne konieczne jest opracowanie nowego systemu zasilania z radykalnym przeprojektowaniem źródeł prądu – baterii słonecznych i akumulatorów – przy odpowiednim czasie i kosztach finansowych.

Wada ta szczególnie wpływa na tworzenie nowych modyfikacji statku kosmicznego w oparciu o wersję podstawową, co jest głównym kierunkiem we współczesnej inżynierii statków kosmicznych.

Kolejną wadą systemów jest niska odporność na zakłócenia odbiorników energii elektrycznej na pokładzie statku kosmicznego. Wyjaśnia to obecność połączenia galwanicznego między szynami zasilającymi urządzenia a źródłami prądu. Dlatego podczas nagłych wahań obciążenia, np. podczas włączania lub wyłączania poszczególnych odbiorników, na wspólnej szynie wyjściowej układu zasilania występują wahania napięcia, tzw. procesy przejściowe spowodowane skokami napięcia na rezystancji wewnętrznej źródeł prądu.

Zaproponowano układ zasilania o nowym schemacie konstrukcyjnym, który eliminuje wyżej wymienione wady znanych układów zasilania statków kosmicznych.

Rozwiązaniem technicznym najbliższym zaproponowanemu jest autonomiczny system zasilania statku kosmicznego według patentu RF 2297706, wybrany jako prototyp.

Prototyp ma te same wady, co omówione powyżej analogi.

Celem proponowanego wynalazku jest rozszerzenie możliwości układu zasilania statku kosmicznego, poprawa jakości napięcia wyjściowego, zmniejszenie kosztów rozwoju i produkcji oraz skrócenie czasu rozwoju systemu.

Istotę zastrzeganego wynalazku ilustruje rysunek.

Układ zasilania składa się z baterii słonecznej 1, baterii 2, stabilizatora napięcia baterii słonecznej 3, urządzenia rozładowującego baterię 4, ładowarki baterii 5, ekstremalnego regulatora mocy baterii słonecznej 6, połączonego swoimi wejściami z urządzeniami rozładowującymi 4 i ładowarki 5 i do czujnika prądu baterii słonecznej 7, a na wyjściu znajduje się stabilizator napięcia baterii słonecznej 3.

Stabilizator 3 i urządzenie rozładowujące 4 wykonane są w postaci falowników mostkowych. Opisy takich falowników mostkowych podano na przykład w artykułach: „Przetwornice napięcia wysokiej częstotliwości z przełączaniem rezonansowym”, autor A.V. Lukin (zh. ELECTROPOPITANIE, zbiór naukowo-techniczny nr 1, pod redakcją Stowarzyszenia Yu.I. Konev. „Power Supply”, M., 1993), The Series Connected Buck Boost Regulator For High Efficiency DC Napięcie Regulacyjne, autor Arthur G. Birchenough (Memorandum techniczne NASA 2003-212514, NASA Lewis Research Center, Cleveland, ON), a także w artykule SCHEMAT BLOKOWY I ROZWIĄZANIA OBWODOWE KOMPLEKSÓW AUTOMATYKI I STABILIZACJI PDS NIEUSZCZELNIONEGO GEOSTACYJNEGO SC Z IZOLACJĄ URZĄDZEŃ POKŁADOWYCH OD BATERII SŁONECZNYCH I AKUMULATORÓW GALVANICA autorzy Polyakov S.A., Chernyshev A.I., Elman V.O., Kudrya seam B.C., patrz „Systemy elektroniczne i elektromechaniczne i urządzenia: sob. prace naukowe SPC „Polyus”. - Tomsk: MGP „RASKO” w wydawnictwie „Radio i Łączność”, 2001, 568 s.

Uzwojenia wyjściowe 9, 10 stabilizatora i urządzenia rozładowującego są odpowiednio podłączone do wspólnego transformatora 8 jako jego uzwojenia pierwotne. Bateria słoneczna 1 jest połączona ze stabilizatorem 3 szynami plus i minus, a w jednej z szyn zamontowany jest wspomniany czujnik prądu 7. Bateria 2 jest połączona z urządzeniem rozładowującym szynami plus i minus. Ładowarka 5 jest połączona swoim wejściem z uzwojeniem wtórnym 11 transformatora 8, a swoim wyjściem z dodatnimi i ujemnymi szynami akumulatora 2.

Urządzenia mocy 13 obciążeń 14 z ich znamionowymi napięciami wyjściowymi AC są podłączone do uzwojeń wtórnych 12 transformatora 8, a urządzenia mocy 16 obciążeń 17 prądu stałego są podłączone do uzwojeń wtórnych 15 transformatora 8 z ich napięciami znamionowymi, jednym z urządzenia zasilające 18 odbiorników 19 prądu stałego lub przemiennego, podłączone do uzwojenia wtórnego 20 transformatora 8, wybierane jest jako główne i służy do stabilizacji napięcia na uzwojeniu wtórnym 20 transformatora 8. W tym celu , urządzenie 18 jest połączone połączeniami zwrotnymi ze stabilizatorem 3 i urządzeniem wyładowczym 4.

Tworzenie napięcia przemiennego na uzwojeniu wyjściowym 9 stabilizatora 3 zapewnia jego obwód sterujący 21, który zgodnie z pewnym prawem otwiera odpowiednio tranzystory 22, 23 i 24, 25 parami.

W podobny sposób napięcie przemienne jest generowane na uzwojeniu wyjściowym 10-bitowego urządzenia 4 przez jego obwód sterujący składający się z 26 tranzystorów, odpowiednio 27, 28 i 29, 30.

Ekstremalny regulator mocy 6, biorąc pod uwagę odczyty czujnika prądu 7 i napięcie na akumulatorze słonecznym 1, wytwarza sygnał korekcyjny, aby zmienić prawo otwierania tranzystorów stabilizatora 3, tak aby na panelu słonecznym zostało ustalone napięcie akumulator równy optymalnemu napięciu charakterystyki prądowo-napięciowej (charakterystyka I-V) akumulatora słonecznego.

Układ zasilania działa w następujących głównych trybach.

1. Zasilanie odbiorników z baterii słonecznej.

Gdy moc baterii słonecznej przekracza całkowitą moc pobieraną przez obciążenia, stabilizator mostkowy 3, wykorzystując sprzężenie zwrotne urządzenia 18 i stabilizatora 3, na uzwojeniu wtórnym 20 transformatora 8 utrzymuje stabilne napięcie na poziomie, który zapewnia wymaganą stabilność napięcia na obciążeniu 19. Jednocześnie na uzwojeniach wtórnych 11, 12, 15 transformatora utrzymuje również stabilne napięcie przemienne, biorąc pod uwagę przekładnie transformacji uzwojeń. Bateria 2 jest w pełni naładowana. Ładowarka 5 i rozładowanie 4 są wyłączone, skrajny regulator 6 jest wyłączony.

2. Naładuj akumulator.

Kiedy zachodzi potrzeba ładowania akumulatora, ładowarka 5 generuje sygnał włączenia ładowania i dostarcza go poprzez konwersję prądu przemiennego z uzwojenia wtórnego 11 transformatora 8 na prąd stały w celu ładowania akumulatora. Sygnał włączenia ładowarki 5 jest również wysyłany na wejście skrajnego regulatora 6, który włącza stabilizator 3 w trybie kontroli ekstremalnej mocy akumulatora słonecznego. Wielkość prądu ładowania akumulatora określa się na podstawie różnicy między mocą akumulatora słonecznego w optymalnym punkcie pracy jego charakterystyki prądowo-napięciowej a całkowitą mocą obciążeń. Urządzenie rozładowujące jest wyłączone.

3. Zasilanie obciążenia z akumulatora.

Tryb ten powstaje, gdy statek kosmiczny wchodzi w cień Ziemi lub Księżyca, w możliwych nietypowych sytuacjach związanych z utratą orientacji paneli słonecznych lub gdy statek kosmiczny zostaje wystrzelony na orbitę po złożeniu paneli słonecznych. Wyjście panelu słonecznego wynosi zero, a obciążenie jest zasilane poprzez rozładowanie akumulatora. W tym trybie stabilizację napięcia na uzwojeniu wtórnym 20 transformatora 8 zapewnia urządzenie rozładowujące podobne do pierwszego trybu, wykorzystujące sprzężenie zwrotne z urządzenia 18 do urządzenia rozładowującego. Stabilizator 3, skrajny regulator 6, ładowarka 5 są wyłączone.

4. Odbiór zasilany jest łącznie z baterii słonecznej i akumulatora.

Tryb ten powstaje, gdy moc baterii słonecznej jest niewystarczająca do zasilania wszystkich podłączonych odbiorników, na przykład po włączeniu obciążeń szczytowych, podczas manewrów statku kosmicznego w celu korekty orbity, podczas wlotów i wyjść statków kosmicznych z zacienionych obszarów orbity itp.

W tym trybie stabilizator 3 za pomocą skrajnego regulatora 6, po sygnale z urządzenia rozładowującego 4, zostaje włączony w tryb sterowania mocą ekstremalną baterii słonecznej 1, a moc brakująca do zasilania odbiorników jest dodawana poprzez rozładowywanie akumulator 2. Stabilizację napięcia na uzwojeniu wtórnym 20 transformatora 8 zapewnia urządzenie rozładowujące 4 za pomocą sprzężenia zwrotnego z urządzenia 18 do urządzenia bitowego 4.

Układ zasilania działa w pełni automatycznie.

Proponowany system zasilania statku kosmicznego ma następujące zalety w porównaniu ze znanymi systemami:

zapewnia na wyjściu stabilne napięcie znamionowe prądu stałego lub przemiennego wymagane do zasilania różnych obciążeń statków kosmicznych, co rozszerza jego możliwości zastosowania na statkach kosmicznych różnych klas lub podczas modernizacji istniejących urządzeń;

wyższa jakość napięcia zasilania odbiorników dzięki zmniejszeniu zakłóceń, ponieważ szyny zasilania obciążenia są odizolowane galwanicznie (poprzez transformator) od szyn źródła prądu;

zapewniony jest wysoki stopień ujednolicenia systemu i możliwość dostosowania go do zmieniających się warunków użytkowania na różnych typach statków kosmicznych lub ich modyfikacji przy minimalnych modyfikacjach w zakresie urządzeń zasilających obciążenie, bez wpływu na podstawowe elementy systemu (solarne i akumulatorów, stabilizatorów, ładowarek i urządzeń rozładowujących),

zapewnia możliwość samodzielnego projektowania i optymalizacji źródeł prądu pod względem napięcia, doboru standardowych rozmiarów akumulatorów, pojedynczych generatorów baterii słonecznych itp.;

Czas i koszty projektowania i produkcji systemu zasilania są zmniejszone.

Obecnie w JSC „ISS” im. M.F. Reshetnev” wraz z szeregiem powiązanych przedsiębiorstw opracowuje proponowany układ zasilania i trwa produkcja poszczególnych laboratoryjnych elementów urządzenia. Pierwsze próbki falownika mostkowego osiągały sprawność na poziomie 95-96,5%.

Ze znanych zgłaszającemu materiałów informacji patentowej nie odnaleziono zespołu cech podobnych do zespołu cech zastrzeganego przedmiotu.

PRAWO

System zasilania statku kosmicznego, składający się z akumulatora słonecznego połączonego szynami dodatnimi i ujemnymi ze stabilizatorem napięcia, akumulatora połączonego szynami dodatnimi i ujemnymi z wejściem i wyjściem ładowarki, regulatora ekstremalnej mocy akumulatora słonecznego połączony swoimi wejściami z czujnikiem prądu, zamontowanym w jednej z szyn pomiędzy baterią słoneczną a stabilizatorem napięcia, urządzeniami rozładowującymi i ładującymi baterii, a wyjściem - ze stabilizatorem napięcia baterii słonecznej, znamienny tym, że napięcie stabilizator baterii słonecznej i urządzenie rozładowujące akumulator wykonane są w postaci falowników mostkowych ze wspólnym transformatorem, w tym przypadku wejście ładowarki jest podłączone do uzwojenia wyjściowego transformatora i ładuje urządzenia zasilające swoimi własne znamionowe napięcia wyjściowe AC lub DC są podłączone do pozostałych uzwojeń wyjściowych transformatora, a jedno z urządzeń zasilających obciążenie jest podłączone do stabilizatora baterii słonecznej i urządzenia rozładowującego akumulator.

Prawa autorskie do ilustracji SPL

Misje kosmiczne trwające kilka dekad – a nawet dłużej – będą wymagały źródeł zasilania nowej generacji. Felietonista postanowił dowiedzieć się, jakie opcje mają projektanci.

Układ zasilania jest istotnym elementem statku kosmicznego. Systemy te muszą być wyjątkowo niezawodne i zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach.

Nowoczesne złożone urządzenia wymagają coraz więcej energii – jak wygląda przyszłość ich źródeł zasilania?

Przeciętny nowoczesny smartfon na jednym ładowaniu wytrzymuje ledwo jeden dzień. A sonda Voyager wystrzelona 38 lat temu nadal wysyła sygnały na Ziemię, opuściła już Układ Słoneczny.

Komputery Voyagera są w stanie wykonać 81 tysięcy operacji na sekundę – ale procesor smartfona działa siedem tysięcy razy szybciej.

Inne artykuły na stronie BBC Future w języku rosyjskim

Projektując telefon zakłada się oczywiście, że będzie on regularnie ładowany i raczej nie będzie oddalony od najbliższego gniazdka o kilka milionów kilometrów.

Nie będzie możliwości ładowania akumulatora statku kosmicznego, który zgodnie z planem powinien znajdować się sto milionów kilometrów od źródła prądu – musi albo móc przewozić na pokładzie akumulatory o wystarczającej pojemności, aby działać przez dziesięciolecia lub samodzielnie wytwarzać energię elektryczną.

Okazuje się, że rozwiązanie takiego problemu projektowego jest dość trudne.

Niektóre urządzenia pokładowe potrzebują prądu tylko okazjonalnie, inne zaś muszą być włączone przez cały czas.

Odbiorniki i nadajniki muszą być zawsze włączone, a podczas lotu załogowego lub na załogowej stacji kosmicznej także systemy podtrzymywania życia i oświetlenia.

Prawa autorskie do ilustracji NASA Tytuł Zdjęcia Silniki Voyagera nie są najnowocześniejsze, ale z powodzeniem służą już 38 lat

Dr Rao Surampudi kieruje programem technologii energetycznych w Laboratorium Napędów Odrzutowych w Kalifornijskim Instytucie Technologii w Stanach Zjednoczonych. Od ponad 30 lat opracowuje systemy zasilania różnych pojazdów NASA.

Dodał, że układ zasilania zazwyczaj stanowi około 30% całkowitej masy statku kosmicznego. Rozwiązuje trzy główne problemy:

wytwarzanie energii

magazynowanie energii elektrycznej

dystrybucja energii elektrycznej

Wszystkie te części systemu są niezbędne do działania urządzenia. Muszą niewiele ważyć, być wytrzymałe i mieć dużą „gęstość energii” – czyli wytwarzać dużo energii z dość małej objętości.

Ponadto muszą być niezawodne, ponieważ wysłanie osoby w kosmos w celu naprawy awarii jest bardzo niepraktyczne.

System musi nie tylko generować wystarczającą ilość energii na wszystkie potrzeby, ale także wytwarzać ją przez cały lot – który może trwać przez dziesięciolecia, a w przyszłości być może stulecia.

„Życie projektu musi być długie – jeśli coś się zepsuje, nie będzie komu tego naprawić” – mówi Surampudi. „Lot do Jowisza trwa od pięciu do siedmiu lat, do Plutona ponad 10 lat, a opuszczenie Układu Słonecznego w systemie potrzeba od 20 do 30 lat.”

Prawa autorskie do ilustracji NASA Tytuł Zdjęcia Misja NASA polegająca na odbijaniu asteroid będzie wykorzystywać nowy rodzaj energii słonecznej, który jest bardziej wydajny i trwały niż jej poprzedniczki

Układy zasilania statku kosmicznego podlegają bardzo specyficznym warunkom – muszą działać bez grawitacji, w próżni, pod wpływem bardzo intensywnego promieniowania (które zniszczyłoby większość konwencjonalnych urządzeń elektronicznych) i ekstremalnych temperatur.

„Jeśli wylądujesz na Wenus, temperatura na zewnątrz wyniesie 460 stopni” – mówi specjalista, „A podczas lądowania na Jowiszu temperatura wyniesie minus 150”.

Pojazdom jadącym w kierunku centrum Układu Słonecznego nie brakuje energii gromadzonej przez ich panele fotowoltaiczne.

Panele te mogą nieco różnić się wyglądem od paneli słonecznych instalowanych na dachach budynków mieszkalnych, ale działają z dużo większą wydajnością.

W pobliżu Słońca jest bardzo gorąco i panele fotowoltaiczne mogą się przegrzać. Aby tego uniknąć, panele są odwrócone od Słońca.

Na orbicie planet panele fotowoltaiczne są mniej wydajne: wytwarzają mniej energii, ponieważ od czasu do czasu są odgradzane od Słońca przez samą planetę. W takich sytuacjach niezbędny jest niezawodny system magazynowania energii.

Rozwiązanie atomowe

Taki system można zbudować w oparciu o akumulatory niklowo-wodorowe, które wytrzymują ponad 50 tysięcy cykli ładowania i działają ponad 15 lat.

W przeciwieństwie do zwykłych baterii, które nie działają w kosmosie, baterie te są szczelnie zamknięte i mogą normalnie funkcjonować w próżni.

W miarę oddalania się od Słońca poziom promieniowania słonecznego w naturalny sposób maleje: dla Ziemi wynosi 1374 watów na metr kwadratowy, dla Jowisza – 50, a dla Plutona – tylko jeden wat na metr kwadratowy.

Dlatego jeśli urządzenie wyleci poza orbitę Jowisza, wówczas wykorzystuje systemy zasilania atomowego.

Najpopularniejszym z nich jest radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG), stosowany w sondach łazików Voyager, Cassini i Curiosity.

Prawa autorskie do ilustracji NASA Tytuł Zdjęcia Rozważa się, że udoskonalony generator radioizotopów Stirlinga może stanowić potencjalne źródło energii na potrzeby długotrwałych misji.

Zasilacze te nie mają ruchomych części. Wytwarzają energię w wyniku rozpadu izotopów promieniotwórczych, takich jak pluton. Ich żywotność przekracza 30 lat.

Jeżeli nie można zastosować RTG (np. potrzebny jest ekran zbyt masywny do lotu, aby chronić załogę przed promieniowaniem), a panele fotowoltaiczne nie są odpowiednie ze względu na zbyt dużą odległość od Słońca, można zastosować ogniwa paliwowe .

Ogniwa paliwowe wodorowo-tlenowe znalazły zastosowanie w amerykańskich programach kosmicznych Gemini i Apollo. Ogniw takich nie da się ponownie naładować, ale wydzielają mnóstwo energii, a produktem ubocznym tego procesu jest woda, którą załoga może następnie wypić.

NASA i Laboratorium Napędów Odrzutowych pracują nad stworzeniem mocniejszych, energochłonnych i kompaktowych systemów o dłuższej żywotności.

Jednak nowe statki kosmiczne potrzebują coraz więcej energii: ich systemy pokładowe stają się coraz bardziej złożone i zużywają dużo energii elektrycznej.

W przypadku długich lotów można zastosować napęd atomowo-elektryczny

Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku statków wykorzystujących napęd elektryczny – na przykład napęd jonowy, zastosowany po raz pierwszy w sondzie Deep Space 1 w 1998 r. i od tego czasu powszechnie stosowany.

Silniki elektryczne zazwyczaj działają na zasadzie elektrycznego uwalniania paliwa przy dużej prędkości, ale są też takie, które przyspieszają pojazd poprzez elektrodynamiczną interakcję z polami magnetycznymi planet.

Większość ziemskich systemów energetycznych nie jest w stanie działać w przestrzeni kosmicznej. Dlatego każdy nowy obwód przed zainstalowaniem na statku kosmicznym przechodzi serię poważnych testów.

Laboratoria NASA odtwarzają trudne warunki, w jakich będzie musiało funkcjonować nowe urządzenie: jest ono napromieniane promieniowaniem i poddawane ekstremalnym zmianom temperatury.

Ku nowym granicom

Możliwe, że w przyszłych lotach będą wykorzystywane ulepszone generatory radioizotopowe Stirlinga. Działają na podobnej zasadzie jak RTG, ale są znacznie wydajniejsze.

Ponadto można je wykonać w bardzo małych rozmiarach – chociaż to jeszcze bardziej komplikuje projekt.

Tworzone są także nowe baterie na potrzeby planowanego przez NASA lotu do Europy, jednego z księżyców Jowisza. Będą mogły pracować w temperaturach od -80 do -100 stopni.

A nowe akumulatory litowo-jonowe, nad którymi obecnie pracują projektanci, będą miały dwukrotnie większą pojemność od obecnych. Z ich pomocą astronauci będą mogli na przykład spędzić dwa razy więcej czasu na powierzchni Księżyca, zanim wrócą na statek, aby się naładować.

Prawa autorskie do ilustracji SPL Tytuł Zdjęcia Aby zapewnić energię takim osadom, najprawdopodobniej potrzebne będą nowe rodzaje paliw.

Projektowane są także nowe panele fotowoltaiczne, które mogłyby skutecznie gromadzić energię w warunkach słabego oświetlenia i niskich temperatur – dzięki temu urządzenia na panelach fotowoltaicznych będą mogły latać dalej od Słońca.

Na pewnym etapie NASA zamierza założyć stałą bazę na Marsie – a być może i na bardziej odległych planetach.

Systemy energetyczne takich osiedli muszą być znacznie potężniejsze od obecnie stosowanych w kosmosie i zaprojektowane z myślą o znacznie dłuższej pracy.

Księżyc zawiera dużo helu-3 – ten izotop jest rzadkością na Ziemi i jest idealnym paliwem dla elektrowni termojądrowych. Jednak nie udało się jeszcze osiągnąć wystarczającej stabilności syntezy termojądrowej, aby móc wykorzystać to źródło energii w statkach kosmicznych.

Ponadto istniejące dziś reaktory termojądrowe zajmują przestrzeń hangaru lotniczego i w tej formie nie można ich używać do lotów kosmicznych.

Czy możliwe jest zastosowanie konwencjonalnych reaktorów jądrowych – szczególnie w pojazdach z napędem elektrycznym oraz w planowanych misjach na Księżyc i Marsa?

W takim przypadku kolonia nie będzie musiała utrzymywać osobnego źródła energii elektrycznej - reaktor okrętowy może spełnić swoją rolę.

W przypadku długich lotów można zastosować napęd atomowo-elektryczny.

„Misja Odbicia Asteroidu wymaga dużych paneli słonecznych, aby zapewnić wystarczającą ilość energii elektrycznej do manewrowania wokół asteroidy” – mówi Surampudi. „Obecnie zastanawiamy się nad napędem słoneczno-elektrycznym, ale napęd nuklearno-elektryczny byłby tańszy”.

Jest jednak mało prawdopodobne, że w najbliższym czasie zobaczymy statki kosmiczne o napędzie atomowym.

„Ta technologia nie jest jeszcze wystarczająco dojrzała. Musimy mieć całkowitą pewność co do jej bezpieczeństwa, zanim wystrzelimy takie urządzenie w kosmos” – wyjaśnia specjalista.

Konieczne są dalsze rygorystyczne testy, aby upewnić się, że reaktor wytrzyma trudy lotów kosmicznych.

Wszystkie te zaawansowane systemy energetyczne umożliwią statkom kosmicznym operowanie na dłuższych dystansach i latanie na większe odległości, ale wciąż znajdują się one na wczesnym etapie rozwoju.

Po pomyślnym zakończeniu testów takie systemy staną się obowiązkowym elementem lotów na Marsa i dalej.

Można go przeczytać na stronie internetowej.

Wstęp

źródło energii miejsce na baterię słoneczną

Obecnie jednym z priorytetów strategicznego rozwoju potencjału naukowo-technicznego republiki jest utworzenie przemysłu kosmicznego. W tym celu w 2007 roku utworzono w Kazachstanie Narodową Agencję Kosmiczną (Kazcosmos), której działalność ma na celu przede wszystkim rozwój i wdrażanie ukierunkowanych technologii kosmicznych oraz rozwój nauk o kosmosie w interesie rozwoju społeczno-gospodarczego kraju .

Naukowe badania kosmiczne w Kazkosmos prowadzone są głównie w Narodowym Centrum Badań i Technologii Kosmicznych SA (NTSKIT JSC), w skład którego wchodzą cztery instytuty badawcze: Instytut Astrofizyczny im. V.G. Fesenkova, Instytut Jonosfery, Instytut Badań Kosmicznych, Instytut Inżynierii i Technologii Kosmicznej. JSC „NTSKIT” dysponuje dużą bazą eksperymentalną: flotą nowoczesnego sprzętu pomiarowego, poligonami doświadczalnymi, obserwatoriami, ośrodkami naukowymi do prowadzenia podstawowych i stosowanych badań naukowych w dziedzinie działań kosmicznych zgodnie z zatwierdzonymi priorytetami.

Spółka Akcyjna „Narodowe Centrum Badań i Technologii Kosmicznych” SA „NTSKIT” została zorganizowana w drodze reorganizacji Republikańskiego Przedsiębiorstwa Państwowego z prawem zarządzania gospodarczego „Centrum Badań Astrofizycznych” i jego spółek zależnych na podstawie Dekretu Rządu Republiki Kazachstanu nr 38 z dnia 22 stycznia 2008 r.

Głównym przedmiotem działalności spółki akcyjnej jest realizacja działalności badawczo-rozwojowej, produkcyjnej i gospodarczej w zakresie badań i technologii kosmicznych.

Jednym z najważniejszych systemów pokładowych każdego statku kosmicznego, który przede wszystkim decyduje o jego właściwościach użytkowych, niezawodności, żywotności i efektywności ekonomicznej, jest system zasilania. Dlatego też problemy rozwoju, badań i tworzenia systemów zasilania statków kosmicznych mają ogromne znaczenie.

Automatyzacja procesów sterowania lotem dowolnego statku kosmicznego (SC) jest nie do pomyślenia bez energii elektrycznej. Energia elektryczna wykorzystywana jest do napędzania wszystkich elementów urządzeń i wyposażenia statku kosmicznego (grupa napędowa, sterowanie, systemy łączności, oprzyrządowanie, ogrzewanie itp.).

Ogólnie rzecz biorąc, system zasilania wytwarza energię, przetwarza ją i reguluje, przechowuje ją w okresach szczytowego zapotrzebowania lub pracy w cieniu i rozprowadza ją po całym statku kosmicznym. Podsystem zasilania może również przetwarzać i regulować napięcie lub zapewniać zakres poziomów napięcia. Często włącza i wyłącza urządzenia oraz, w celu poprawy niezawodności, chroni przed zwarciami i izoluje zwarcia. Na konstrukcję podsystemu wpływa promieniowanie kosmiczne, które powoduje degradację paneli słonecznych. Żywotność baterii chemicznej często ogranicza żywotność statku kosmicznego.

Aktualne problemy obejmują badanie cech funkcjonalnych kosmicznych źródeł energii. Badanie i eksploracja przestrzeni kosmicznej wymaga opracowania i stworzenia statków kosmicznych do różnych celów. Obecnie automatyczne bezzałogowe statki kosmiczne są najpowszechniej wykorzystywane do tworzenia globalnego systemu łączności, telewizji, nawigacji i geodezji, przesyłania informacji, badania warunków pogodowych i zasobów naturalnych Ziemi, a także eksploracji głębokiego kosmosu. Aby je stworzyć, konieczne jest zapewnienie bardzo rygorystycznych wymagań dotyczących dokładności orientacji urządzenia w przestrzeni i korekcji parametrów orbity, a to wymaga zwiększenia zasilania statku kosmicznego.

1. Informacje ogólne o JSC „NCIT”

Prowadzenie prac badawczo-rozwojowych w celu stworzenia sprzętu i oprogramowania dla systemów korekcji różnicowej i konsumenckiego sprzętu nawigacyjnego.

Modelowanie obiektowe oraz rozwój oprogramowania i sprzętu dla wielkoskalowego systemu modelowania 3D z wykorzystaniem technologii nawigacji satelitarnej i odległości laserowej.

Opracowanie modeli inżynieryjnych zespołu urządzeń naukowych do przeprowadzania pomiarów pokładowych i gromadzenia ukierunkowanych informacji naukowych oraz oprogramowania do ich obsługi.

Tworzenie oprogramowania naukowego, metodycznego i oprogramowania do rozwiązywania problemów kompleksowej analizy i prognozowania rozwoju technologii kosmicznej w Republice Kazachstanu.

Tworzenie oprogramowania oraz modeli wsparcia matematycznego i symulacji statków kosmicznych i podsystemów.

Opracowywanie próbek eksperymentalnych urządzeń, sprzętu, komponentów i podsystemów mikrosatelitów.

Tworzenie zaplecza naukowo-metodologicznego oraz bazy regulacyjnej i technicznej do rozwiązywania problemów regulacji technicznych.

Regulowanie wymagań dotyczących rozwoju, projektowania, tworzenia, eksploatacji technologii kosmicznej, zapewnienie jej bezpieczeństwa, ocena i potwierdzenie zgodności.

Zgodnie z dekretem rządu nr 38 z dnia 22 stycznia 2008 r. „W sprawie reorganizacji Republikańskiego Przedsiębiorstwa Państwowego „Centrum Badań Astrofizycznych” Narodowej Agencji Kosmicznej Republiki Kazachstanu i jego zależnych przedsiębiorstw państwowych”, RSE „Centrum Astrofizyczne Research” i jego spółki zależne „Instytut Jonosfery”, „Instytut Astrofizyczny im V.G. Fesenkowa”, „Instytut Badań Kosmicznych” zostały zreorganizowane poprzez połączenie i przekształcenie w spółkę akcyjną „Narodowe Centrum Badań i Technologii Kosmicznej” ze 100% udziałem państwa w kapitale zakładowym.

Świadectwo rejestracji państwowej JSC „NTSKIT” - nr 93168-1910-AO, nr identyfikacyjny 080740009161, z dnia 16 lipca 2008 r., zarejestrowane w Departamencie Sprawiedliwości Ałmaty Ministerstwa Sprawiedliwości Republiki Kazachstanu

.2 Ogólna charakterystyka organizacji

Spółka Akcyjna „Narodowe Centrum Badań i Technologii Kosmicznych” została zarejestrowana w dniu 16 lipca 2008 roku.

W okresie od 2004 r. do 15 lipca 2008 r. JSC NTsKIT była legalnie Republikańskim Przedsiębiorstwem Państwowym „Centrum Badań Astrofizycznych” (z prawem zarządzania gospodarczego), które zostało utworzone zgodnie z dekretem Rządu Republiki Kazachstanu z dnia 5 marca 2004 r. nr 280 „Emisje niektórych republikańskich przedsiębiorstw państwowych Ministerstwa Oświaty i Nauki Republiki Kazachstanu”. RSE powstał w wyniku reorganizacji i połączenia republikańskich przedsiębiorstw rządowych „Instytut Badań Kosmicznych”, „Instytut Jonosfery” i „Instytut Astrofizyczny im. V.G. Fesenkowa”, którym nadano status prawny spółek zależnych przedsiębiorstw państwowych.

Dekretem Rządu Republiki Kazachstanu z dnia 29 maja 2007 r. nr 438 „Zagadnienia Narodowej Agencji Kosmicznej” RSE „Centrum Badań Astrofizycznych” (z prawem zarządzania gospodarczego) zostało przekazane pod jurysdykcję Republiki Kazachstanu Narodowa Agencja Kosmiczna Republiki Kazachstanu.

Instytut Badań Kosmicznych Akademii Nauk Kazachskiej SRR został zorganizowany zgodnie z Uchwałą Gabinetu Ministrów Kazachskiej SRR nr 470 z dnia 12 sierpnia 1991 r. Założycielem i pierwszym dyrektorem Instytutu jest Laureat Nagrody Państwowej ZSRR, kawaler Orderu Lenina, Czerwonego Sztandaru Pracy „Parasat”, akademik Narodowej Akademii Nauk Republiki Kazachstanu Sultangazin Umirzak Machmutowicz (1936 - 2005). W styczniu 2011 roku Instytut otrzymał imię Akademika U.M. Sułtangazina.

Przedmiotem działalności Instytutu było prowadzenie badań podstawowych i stosowanych w ramach programów i projektów państwowych, przemysłowych, międzynarodowych oraz wykonywanie prac w ramach grantów ze środków krajowych i zagranicznych w zakresie teledetekcji Ziemi (ERS), monitorowania przestrzeni kosmicznej , modelowanie informacji geograficznej i nauka o materiałach kosmicznych.

Instytut Badań Kosmicznych, jako organizacja macierzysta, koordynował badania instytutów Narodowej Akademii Nauk Republiki Kazachstanu i innych organizacji resortowych w zakresie opracowywania i wdrażania wszystkich czterech kazachstańskich programów badań naukowych i eksperymentów na pokładzie Miru kompleks orbitalny z udziałem kosmonauty T.O. Aubakirowa. (1991) i przy udziale kosmonauty T.A. Musabaeva. - (1994, 1998), na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej - z udziałem kosmonauty T.A. Musabaeva (2001).

Instytut Badań Kosmicznych nazwany na cześć akademika U.M. Sultangazina była częścią JSC NTsKIT jako odrębny podmiot prawny w formie zależnej spółki z ograniczoną odpowiedzialnością.

Od 2014 rokuInstytut i aparat administracyjny JSC „NCIT” zostały połączone w jedną strukturę, zachowując skład kadrowy i obszary badań.

1.3 Rodzaje działalności JSC „NCIT”

Koordynacja, wsparcie i realizacja działań badawczych. Podstawowe i stosowane badania kosmiczne

Kształtowanie głównych kierunków i planów badań naukowych, zgłaszanie zakończonych badań naukowych do Narodowej Agencji Kosmicznej Republiki Kazachstanu;

Przekazywanie do Narodowej Agencji Kosmicznej Republiki Kazachstanu wniosków i rekomendacji na podstawie rocznych sprawozdań organizacji naukowych z działalności naukowej i naukowo-technicznej;

Wsparcie i realizacja projektów doświadczalnych oraz działalność produkcyjno-gospodarcza

Tworzenie systemów informacji geograficznej w oparciu o metody badań lotniczych;

Przyjmowanie, przetwarzanie, dystrybucja, równoważna wymiana i sprzedaż danych teledetekcji Ziemi z kosmosu;

Rozwój i eksploatacja aktywów kosmicznych do różnych celów, systemów komunikacji kosmicznej, nawigacji i teledetekcji;

Świadczenie usług inżynieryjnych i doradczych

Przeprowadzanie badań marketingowych

Wdrażanie działań innowacyjnych

Informowanie o działalności Narodowej Agencji Kosmicznej – Republika Kazachstanu oraz promowanie osiągnięć naukowych

Propaganda osiągnięć nauki i technologii kosmicznych, organizacja. Prowadzenie międzynarodowych i republikańskich kongresów, sesji, konferencji, seminariów, spotkań, wystaw; publikacja czasopism naukowych, prac i informacji o działalności Narodowej Agencji Kosmicznej Republiki Kazachstanu

Kształcenie wysoko wykwalifikowanej kadry naukowej. Ochrona własności intelektualnej

Opracowywanie dokumentacji regulacyjnej i prawnej

Skład personelu

Łącznie – 450 wykwalifikowanych specjalistów i naukowców.

Jest wśród nich 27 doktorów nauk, 73 kandydatów na nauki, 2 pracowników naukowych, 2 członków korespondentów i 3 doktorów.

Struktura centralna

Katedra Teledetekcji

Główne obszary badań:

Rozwój technologii odbioru, archiwizacji, przetwarzania i wyświetlania danych teledetekcyjnych. Prowadzenie podstawowych i stosowanych badań naukowych w zakresie badania charakterystyk widmowych obiektów na powierzchni ziemi, monitoringu przestrzennego gruntów rolnych i środowiska, sytuacji awaryjnych (powodzie, powodzie, pożary), interpretacji tematycznej danych satelitarnych o różnych widmach spektralnych, przestrzennych i uchwały czasowe oparte na analizie serii danych długoterminowych Teledetekcja i stan powierzchni Ziemi.

Prowadzenie badań podsatelitarnych. Utworzenie sektorowych i regionalnych ośrodków sytuacyjnych służących do kosmicznego monitorowania sytuacji awaryjnych.

Katedra Modelowania Informacji Geograficznej

Opracowanie modeli numerycznych przenoszenia promieniowania krótkofalowego i cieplnego w atmosferze do korekcji zdjęć satelitarnych i obliczeń parametrów fizycznych atmosfery na podstawie informacji satelitarnych.

Tworzenie geograficznych modeli informacyjnych „analizy ryzyka” w celu określenia stopnia wpływu czynników naturalnych i spowodowanych przez człowieka na rozwój sytuacji awaryjnych na głównych rurociągach.

Tworzenie zautomatyzowanych metod i technologii fotogrametrii cyfrowej, metod i algorytmów obliczeniowych do interferometrycznej analizy danych teledetekcyjnych.

Katedra Inżynierii Materiałów Kosmicznych i Inżynierii Instrumentów

Tworzenie technologii wytwarzania materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych dla celów lotniczych oraz wyrobów z nich wytwarzanych.

Rozwój jakościowych, analitycznych i numerycznych metod badania problemów niestacjonarnych dynamiki sztucznych i naturalnych ciał niebieskich.

Opracowanie nowych modeli matematycznych i metod zapewniania programowanego ruchu statków kosmicznych.

Departament Informacji i Wsparcia Edukacyjnego (Astana)

Organizacja zaawansowanych szkoleń i przekwalifikowań specjalistów dla przemysłu kosmicznego Kazachstanu.

Centrum Przyjęć Informacji Kosmicznych (Ałmaty) oraz Centrum Naukowo-Edukacyjne Monitoringu Przestrzeni Kosmicznej do Zbiorowego Użytku (Astana)

Regularny odbiór, archiwizacja i przetwarzanie danych ze zdjęć satelitarnych ze statku kosmicznego Aqua/MODIS, Terra/MODIS, SuomiNPP (USA).

Istnieje międzynarodowy certyfikat.

DTOO „II” (Instytut Jonosfery)

Przedmiot działalnościDTOO „Instytut Jonosfery” prowadzi badania podstawowe, eksploracyjne i stosowane w zakresie fizyki i geodynamiki Ziemi i Słońca: jonosfera i pole geomagnetyczne, pogoda kosmiczna, monitoring radiacyjny przestrzeni bliskiej Ziemi, geodynamika przestrzeni naziemnej i geofizyczny monitoring skorupa ziemska Kazachstanu, stworzenie systemu prognozowania złóż minerałów, geodezja i kartografia.

DTOO „AFIF” (Instytut Astrofizyczny im. Fesenkowa)

DTOO „IKTT” (Instytut Inżynierii i Technologii Kosmicznej)

Spółka zależna Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością „Instytut Inżynierii i Technologii Kosmicznej”(zwany dalej DTOO „Instytut Inżynierii i Technologii Kosmicznej”) został utworzony zarządzeniem Narodowej Agencji Kosmicznej Republiki Kazachstanu nr 65/OD z dnia 17 sierpnia 2009 roku.

DTOO „Instytut Technologii i Technologii Kosmicznej” został zarejestrowany 23 grudnia 2009 roku. Jedynym założycielem Instytutu Technologii i Technologii Kosmicznych Sp. z oo jest Narodowe Centrum Badań i Technologii Kosmicznych Spółka Akcyjna.

2. Ogólne informacje o zasilaniu statku kosmicznego

Geometria statku kosmicznego, konstrukcja, masa i życie aktywne są w dużej mierze zdeterminowane przez system zasilania statku kosmicznego. Układ zasilania lub inaczej nazywany układem zasilania (PSS) statku kosmicznego – system statku kosmicznego, który dostarcza energię do innych systemów, jest jednym z najważniejszych systemów. Awaria układu zasilania prowadzi do awarii całego urządzenia.

W skład systemu zasilania wchodzą zazwyczaj: pierwotne i wtórne źródło energii elektrycznej, przetwornice, ładowarki oraz automatyka sterująca.

Pierwotne źródła energii

Jako źródła podstawowe wykorzystywane są różne generatory energii:

panele słoneczne;

chemiczne źródła prądu:

baterie;

ogniwa galwaniczne;

ogniwa paliwowe;

radioizotopowe źródła energii;

reaktor nuklearny.

Źródłem pierwotnym jest nie tylko sam generator prądu, ale także obsługujące go systemy, np. system orientacji paneli słonecznych.

Często łączone są źródła energii, na przykład bateria słoneczna z baterią chemiczną.

Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe charakteryzują się dużą masą, rozmiarami i gęstością mocy w porównaniu do pary baterii słonecznych i baterii chemicznej, są odporne na przeciążenia, mają stabilne napięcie i są ciche. Wymagają jednak dopływu paliwa, dlatego stosuje się je na urządzeniach, których okres przebywania w kosmosie wynosi od kilku dni do 1-2 miesięcy.

Stosowane są głównie wodorowo-tlenowe ogniwa paliwowe, gdyż wodór zapewnia najwyższą wartość opałową, a dodatkowo powstała w wyniku reakcji woda może być wykorzystana na załogowych statkach kosmicznych. Aby zapewnić prawidłową pracę ogniw paliwowych, należy zadbać o usunięcie wody i ciepła powstałego w wyniku reakcji. Kolejnym czynnikiem ograniczającym jest stosunkowo wysoki koszt ciekłego wodoru i tlenu oraz trudność w ich magazynowaniu.

Radioizotopowe źródła energii

Źródła energii radioizotopowej wykorzystywane są głównie w następujących przypadkach:

długi czas lotu;

misje do zewnętrznych rejonów Układu Słonecznego, gdzie strumień promieniowania słonecznego jest niewielki;

Satelity rozpoznawcze z radarem bocznym nie mogą wykorzystywać paneli słonecznych ze względu na niskie orbity, ale mają duże zapotrzebowanie na energię.

Automatyzacja systemu zasilania

Obejmuje urządzenia służące do sterowania pracą elektrowni, a także monitorowania jej parametrów. Typowe zadania to: utrzymywanie parametrów systemu w określonych zakresach: napięcie, temperatura, ciśnienie, przełączanie trybów pracy, np. przełączanie na rezerwowe źródło zasilania; rozpoznawanie awarii, awaryjne zabezpieczenie zasilaczy, w szczególności prądowych; dostarczanie informacji o stanie systemu telemetrycznego i do konsoli astronauty. W niektórych przypadkach możliwe jest przełączenie ze sterowania automatycznego na ręczne z konsoli astronauty lub za pomocą poleceń z naziemnego centrum kontroli.

.1 Zasada działania i konstrukcja baterii słonecznych

Bateria słoneczna opiera się na generatorach napięcia zbudowanych z ogniw słonecznych - urządzeniach do bezpośredniego przetwarzania energii światła słonecznego na energię elektryczną. Działanie FEP opiera się na wewnętrznym efekcie fotoelektrycznym, tj. na pojawienie się pola elektromagnetycznego pod wpływem światła słonecznego.

Półprzewodnikowy konwerter fotowoltaiczny (SPV) to urządzenie, które bezpośrednio przekształca energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego opiera się na oddziaływaniu światła słonecznego z kryształem półprzewodnika, podczas którego fotony uwalniają w krysztale elektrony – nośniki ładunku elektrycznego. Obszary o silnym polu elektrycznym, specjalnie wytworzone pod wpływem tzw. złącza p-n, wychwytują uwolnione elektrony i oddzielają je w taki sposób, że w obwodzie obciążenia powstaje prąd i odpowiednio moc elektryczna.

Przyjrzyjmy się teraz temu procesowi nieco bardziej szczegółowo, choć ze znacznymi uproszczeniami. Zacznijmy od przyjrzenia się absorpcji światła w metalach i czystych półprzewodnikach. Kiedy strumień fotonów uderza w powierzchnię metalu, część fotonów zostaje odbita, a pozostała część jest pochłaniana przez metal. Energia drugiej części fotonów zwiększa amplitudę drgań sieci i prędkość chaotycznego ruchu wolnych elektronów. Jeżeli energia fotonu jest dość duża, wówczas może wystarczyć wybicie elektronu z metalu, nadając mu energię równą lub większą od pracy pracy danego metalu. Jest to zewnętrzny efekt fotoelektryczny. Przy niższej energii fotonu jego energia ostatecznie zostaje w całości przeznaczona na ogrzewanie metalu.

Inaczej wygląda sytuacja, gdy półprzewodniki poddawane są działaniu strumienia fotonów. W przeciwieństwie do metali, półprzewodniki krystaliczne w czystej postaci (bez zanieczyszczeń), jeśli nie mają na nie wpływu żadne czynniki zewnętrzne (temperatura, pole elektryczne, promieniowanie świetlne itp.), nie posiadają wolnych elektronów odłączonych od atomów sieci krystalicznej półprzewodnik

Ryż. 2.1 - Absorpcja światła w metalach i półprzewodnikach: 1 - pasmo wypełnione (walencyjne), 2 - pasmo wzbronione, 3 - pasmo przewodnictwa, 4 - elektron

Ponieważ jednak materiał półprzewodnikowy zawsze znajduje się pod wpływem jakiejś temperatury (najczęściej temperatury pokojowej), niewielka część elektronów może na skutek drgań termicznych pozyskać energię wystarczającą do oddzielenia ich od atomów. Takie elektrony stają się wolne i mogą brać udział w przenoszeniu prądu.

Atom półprzewodnika, który utracił elektron, zyskuje ładunek dodatni równy ładunkowi elektronu. Jednakże miejsce w atomie niezajęte przez elektron może zająć elektron z sąsiedniego atomu. W tym przypadku pierwszy atom staje się neutralny, a sąsiedni zostaje naładowany dodatnio. Przestrzeń zwolniona w atomie w wyniku powstania wolnego elektronu jest równoważna dodatnio naładowanej cząstce zwanej dziurą.

Energia, jaką posiada elektron w stanie związanym z atomem, mieści się w wypełnionym (walencyjnym) paśmie. Energia swobodnego elektronu jest stosunkowo wysoka i leży w paśmie o wyższej energii – paśmie przewodnictwa. Pomiędzy nimi znajduje się strefa zakazana, czyli tzw. strefa o takich wartościach energetycznych, których elektrony danego materiału półprzewodnikowego nie mogą mieć ani w stanie związanym, ani w stanie wolnym. Pasmo wzbronione dla większości półprzewodników mieści się w zakresie 0,1–1,5 eV. Dla wartości pasma wzbronionego większych niż 2,0 eV mamy do czynienia z dielektrykami.

Jeżeli energia fotonu jest równa lub większa od pasma wzbronionego, wówczas jeden z elektronów zostaje oddzielony od jego atomu i przeniesiony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

Wzrost stężenia elektronów i dziur prowadzi do wzrostu przewodności półprzewodnika. Przewodnictwo prądu w czystym półprzewodniku monokrystalicznym powstające pod wpływem czynników zewnętrznych nazywa się przewodnością wewnętrzną. Wraz z zanikiem wpływów zewnętrznych wolne pary elektron-dziura rekombinują ze sobą, a przewodnictwo wewnętrzne półprzewodnika dąży do zera. Nie ma idealnie czystych półprzewodników, które mają jedynie własną przewodność. Zazwyczaj półprzewodnik ma przewodnictwo elektroniczne (typu n) lub dziurowe (typu p).

Rodzaj przewodnictwa jest określony przez wartościowość atomów półprzewodnika i wartościowość atomów aktywnego domieszki osadzonej w jego sieci krystalicznej. Na przykład dla krzemu (grupa IV układu okresowego Mendelejewa) aktywnymi zanieczyszczeniami są bor, glin, gal, ind, tal (grupa III) lub fosfor, arsen, antymon, bizmut (grupa V). Sieć krystaliczna krzemu ma kształt, w którym każdy atom krzemu znajdujący się w miejscu sieci jest połączony z czterema innymi pobliskimi atomami krzemu za pomocą tak zwanych wiązań kowalencyjnych lub parowo-elektronowych.

Pierwiastki grupy V (donory), osadzone w miejscach sieci krystalicznej krzemu, mają wiązania kowalencyjne pomiędzy swoimi czterema elektronami a czterema elektronami sąsiednich atomów krzemu, a piąty elektron może być łatwo uwolniony. Pierwiastki III grupy (akceptory), osadzone w miejscach sieci krystalicznej krzemu, przyciągają elektron z jednego z sąsiednich atomów krzemu, tworząc cztery wiązania kowalencyjne, tworząc w ten sposób dziurę. Atom ten z kolei może przyciągnąć elektron z jednego z sąsiednich atomów krzemu itp.

Ogniwo słoneczne to fotokomórka półprzewodnikowa z warstwą bramkową, której działanie opiera się na omówionym przed chwilą efekcie fotoelektrycznym. Zatem mechanizm działania FEP jest następujący (rysunek 2.2).

Kryształ FEP składa się z obszarów p i n, które mają odpowiednio przewodnictwo dziurowe i elektronowe. Pomiędzy tymi obszarami tworzy się złącze p-n (warstwa barierowa). Jego grubość wynosi 10-4 - 10-6 cm.

Ponieważ po jednej stronie złącza pn znajduje się więcej elektronów, a dziur po drugiej, każdy z tych nośników swobodnego prądu będzie miał tendencję do dyfundowania do tej części ogniwa słonecznego, gdzie jest ich za mało. W rezultacie na złączu p-n w ciemności ustala się dynamiczny bilans ładunków i tworzą się dwie warstwy ładunków kosmicznych, przy czym ładunki ujemne powstają po stronie obszaru p, a ładunki dodatnie po stronie obszaru n.

Ustalona bariera potencjału (lub różnica potencjałów kontaktowych) zapobiegnie dalszej samodyfuzji elektronów i dziur przez złącze p-n. Różnica potencjałów stykowych Uк jest kierowana z obszaru n do obszaru p. Przejście elektronów z obszaru n do obszaru p wymaga nakładu pracy Uк · e, która zamienia się w energię potencjalną elektronów.

Z tego powodu wszystkie poziomy energii w obszarze p podnoszą się w stosunku do poziomów energii w obszarze n o wartość bariery potencjału Uk · e. Na rysunku ruch w górę wzdłuż osi rzędnych odpowiada wzrostowi w energii elektronów i spadku energii dziur.

Ryż. 2.2 - Zasada działania ogniw słonecznych (elektrony oznaczono kropkami, dziury oznaczono kółkami)

Zatem bariera potencjału stanowi przeszkodę dla przewoźników większościowych (w kierunku do przodu), ale nie stanowi żadnego oporu dla przewoźników mniejszościowych (w kierunku odwrotnym).

Pod wpływem światła słonecznego (fotonów o określonej energii) atomy półprzewodnika zostaną wzbudzone, a w krysztale pojawią się dodatkowe (nadmiarowe) pary elektron-dziura zarówno w obszarze p, jak i n (Rysunek 2.2, b ). Obecność bariery potencjału w złączu p-n powoduje oddzielenie dodatkowych nośników mniejszościowych (ładunków) tak, że nadmiar elektronów będzie gromadził się w obszarze n, a nadmiarowe dziury w obszarze p, które nie miały czasu na ponowne połączenie zbliżyć się do złącza p-n. W takim przypadku nastąpi częściowa kompensacja ładunku przestrzennego na złączu p-n i wytworzone przez nie pole elektryczne, skierowane przeciwko różnicy potencjałów styków, wzrośnie, co łącznie doprowadzi do zmniejszenia bariery potencjału.

W rezultacie pomiędzy elektrodami powstanie różnica potencjałów U F , który jest zasadniczo foto-emfem. Jeśli w obwodzie fotowoltaicznym zostanie uwzględnione zewnętrzne obciążenie elektryczne, wówczas przepłynie w nim prąd elektryczny - przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p, gdzie ponownie łączą się z dziurami. Charakterystyki woltoamperowe i woltowo-mocowe ogniwa słonecznego przedstawiono na rysunku 2.3, z którego wynika, że aby wydobyć z ogniwa słonecznego maksymalną moc elektryczną, należy zapewnić jego pracę w dość wąskim zakresie napięcia wyjściowe (0,35 - 0,45 V).

Waga 1 m 2SB 6...10 kg, z czego 40% stanowi masa FEP. Z fotokomórek, których średni rozmiar nie przekracza 20 mm, generatory napięcia wybiera się, łącząc je szeregowo do wymaganej wartości napięcia, na przykład do wartości nominalnej 27 V.

Ryż. 2.3 - Zależność napięcia i mocy właściwej od gęstości prądu PV

Generatory napięcia o wymiarach gabarytowych około 100 x 150 mm montowane są na panelach słonecznych i łączone szeregowo w celu uzyskania wymaganej mocy na wyjściu systemu fotowoltaicznego.

Oprócz krzemowych ogniw słonecznych, które są nadal stosowane w większości słonecznych ogniw fotowoltaicznych, największym zainteresowaniem cieszą się ogniwa słoneczne na bazie arsenku galu i siarczku kadmu. Mają wyższą temperaturę pracy niż krzemowe ogniwa słoneczne (a ogniwa słoneczne na bazie arsenku galu mają wyższą teoretyczną i osiąganą praktycznie sprawność). Należy zauważyć, że wraz ze wzrostem pasma wzbronionego półprzewodnika wzrasta napięcie w obwodzie jałowym i teoretyczna wydajność opartego na nim ogniwa słonecznego. Jednakże, gdy przerwa wzbroniona jest większa niż 1,5 eV, wydajność ogniwa słonecznego zaczyna spadać, ponieważ coraz większa część fotonów nie może utworzyć pary elektron-dziura. Istnieje zatem optymalna przerwa wzbroniona (1,4 - 1,5 eV), przy której sprawność ogniwa słonecznego osiąga maksymalną możliwą wartość.

3. Elektrochemiczne elektrownie kosmiczne

Podstawą każdego elektrochemicznego CEU jest elektrochemiczne źródło prądu (ECS). Obejmuje elektrody, którymi są zwykle substancje aktywne, elektrolit, separator i konstrukcję zewnętrzną (naczynie). Wodny roztwór zasady KOH jest zwykle używany jako elektrolit do ECHIT stosowanego na statkach kosmicznych.

Rozważmy uproszczony schemat i projekt srebrno-cynkowego ECHIT (rysunek 3.1). Elektrodą dodatnią jest przewodnik prądowy z siatki drucianej, na który wprasowuje się sproszkowane metaliczne srebro, a następnie spieka w piecu w temperaturze około 400°C, co nadaje elektrodzie niezbędną wytrzymałość i porowatość. Elektroda ujemna to masa wciśnięta w siatkę przewodnika prądowego, składająca się z tlenku cynku (70–75%) i pyłu cynkowego (25–30%).

Na elektrodzie ujemnej (Zn) utleniacz substancji czynnej reaguje z wodorotlenkiem cynku Zn(OH) 2, a na dodatnim (AgO) - reakcja redukcji substancji czynnej do czystego srebra. Energia elektryczna jest uwalniana do obwodu zewnętrznego w postaci przepływu elektronów. W elektrolicie obwód elektryczny jest zamykany przez przepływ jonów OHˉ z elektrody dodatniej do ujemnej. Separator jest niezbędny przede wszystkim po to, aby zapobiec kontaktowi (a co za tym idzie zwarciu) elektrod. Ponadto zmniejsza samorozładowanie ECHI i jest wymagane, aby zapewnić jego odwracalne działanie w wielu cyklach ładowania i rozładowania.

Ryż. 3.1 Zasada działania srebrno-cynkowego ECHIT:

Elektroda dodatnia (AgO), 2 - obciążenie elektryczne,

Elektroda ujemna (Zn), 4 - naczynie, 5 - separator

To ostatnie wynika z faktu, że przy niewystarczającej separacji koloidalne roztwory tlenków srebra docierające do elektrody ujemnej ulegają redukcji katodowej w postaci cienkich nitek srebra skierowanych w stronę elektrody dodatniej, a jony cynku ulegają także redukcji w postaci nitek rosnących w kierunku elektrody anoda. Wszystko to może prowadzić do zwarcia elektrod już w pierwszych cyklach pracy.

Najbardziej odpowiednim separatorem (separatorem) dla srebrowo-cynkowego ECIT jest folia uwodnionej celulozy (celofan), która pęczniejąc w elektrolicie zagęszcza zespół, co zapobiega topnieniu elektrod cynkowych, a także kiełkowaniu igieł kryształy srebra i cynku (dendryty). Naczynie ECHIT srebrno-cynkowe jest najczęściej wykonane z tworzywa sztucznego (żywicy poliamidowej lub styropianu) i ma kształt prostokąta. W przypadku innych typów ECHIT naczynia mogą być wykonane na przykład z niklowanego żelaza. Podczas ładowania ECHIT na elektrodach uległa redukcji tlenek cynku i srebra.

Zatem wyładowanie ECHIT to proces uwalniania energii elektrycznej do obwodu zewnętrznego, a ładunek ECHIT to proces przekazywania mu energii elektrycznej z zewnątrz w celu przywrócenia pierwotnych substancji z produktów reakcji. Ze względu na charakter pracy ECHIT dzielą się na ogniwa galwaniczne (pierwotne źródła prądu), które pozwalają na jednorazowe użycie substancji aktywnych oraz baterie elektryczne (wtórne źródła prądu), które umożliwiają wielokrotne użycie substancji aktywnych ze względu na możliwość ich odzysku poprzez ładowanie z zewnętrznego źródła energii elektrycznej.

CEU oparte na ECHIT wykorzystują akumulatory elektryczne z trybem rozładowania jednorazowego lub wielokrotnego użytku, a także wodorowo-tlenowe ogniwa paliwowe.

3.1 Chemiczne źródła prądu

Siła elektromotoryczna (EMF) źródła chemicznego to różnica potencjałów jego elektrod, gdy obwód zewnętrzny jest otwarty:

Gdzie I - odpowiednio potencjały elektrody dodatniej i ujemnej.

Całkowita rezystancja wewnętrzna R źródła chemicznego (oporność na prąd stały) składa się z rezystancji omowej i odporność na polaryzację :

Gdzie - pole elektromagnetyczne polaryzacji; - siła prądu rozładowania.

Odporność na polaryzację spowodowane zmianami potencjałów elektrod I kiedy płynie prąd i zależy od stopnia naładowania, siły prądu rozładowania, składu elektrod i czystości elektrolitu.

;

Gdzie I I

Pojemność rozładowania Q (Ah) źródła chemicznego to ilość energii elektrycznej wydzielanej przez źródło podczas rozładowania przy określonej temperaturze elektrolitu, ciśnieniu otoczenia, prądzie rozładowania i końcowym napięciu rozładowania:

iw ogólnym przypadku, przy stałym prądzie podczas rozładowania

Gdzie - aktualna wartość prądu rozładowania, A; - czas rozładowania, godz.

Gdzie I

Za chemiczne źródła prądu uważa się akumulatory srebrowo-cynkowe, kadmowo-niklowe i niklowo-wodorowe.

3.2 Baterie srebrno-cynkowe

Baterie srebrno-cynkowe, ze względu na mniejszą masę i objętość przy tej samej pojemności i mniejszym oporze wewnętrznym przy danym napięciu, stały się powszechne w kosmicznym sprzęcie elektrycznym. Substancją czynną elektrody dodatniej akumulatora jest tlenek srebra AgO, a płytką ujemną jest metaliczny cynk. Jako elektrolit stosuje się wodny roztwór alkalicznego KOH o gęstości 1,46 g/cm3. 3.

Akumulator jest ładowany i rozładowywany w dwóch etapach. Podczas rozładowania na obu etapach zachodzi reakcja utleniania cynku na elektrodzie ujemnej

2OHˉ wypisać → ZnO + H 2O+2e.

Na elektrodzie dodatniej reakcja redukcji srebra zachodzi w dwóch etapach. W pierwszym etapie dwuwartościowy tlenek srebra ulega redukcji do jednowartościowego:

2AgO + 2e + H 2O wypisać → Ag 2O + 2OH ˉ.

Semf akumulatora wynosi 1,82...1,86 V. W drugim etapie, gdy akumulator jest rozładowany o około 30%, jednowartościowy tlenek srebra ulega redukcji do metalicznego srebra:

2O+2e+H 2O wypisać → 2Ag + 2OH ˉ.

Sem baterii w momencie przejścia z pierwszego etapu rozładowania do drugiego zmniejsza się do 1,52..1,56 V. W rezultacie krzywa 2 zmiany emf podczas rozładowania prądem znamionowym (rysunek 3.2) ma charakterystyczny skok. Przy dalszym rozładowywaniu siła elektromotoryczna akumulatora pozostaje stała, aż do całkowitego rozładowania akumulatora. Podczas ładowania reakcja przebiega dwuetapowo. Skok napięcia i pole elektromagnetyczne powstają, gdy akumulator jest naładowany w około 30% (krzywa 1).W tym stanie powierzchnia elektrody pokryta jest tlenkiem srebra dwuwartościowego.

Ryż. 3.2 - Pole elektromagnetyczne akumulatora podczas ładowania (1) i rozładowywania (2)

Pod koniec ładowania, gdy utlenianie srebra z jednowartościowego do dwuwartościowego zakończy się na całej grubości elektrody, rozpoczyna się uwalnianie tlenu zgodnie z równaniem

OH wypisać → 2H 2O+4e+O 2

W tym przypadku siła elektromotoryczna akumulatora wzrasta o 0,2...0,3 V (patrz rysunek 5.1, kropkowana część krzywej 1). Tlen uwalniający się podczas ładowania przyspiesza proces niszczenia parametrów celofanu akumulatora i powstawanie zwarć wewnętrznych.

Podczas procesu ładowania cały tlenek cynku można zredukować do cynku metalicznego. Podczas ładowania przywracany jest tlenek cynku z elektrolitu, znajdujący się w porach elektrody, a następnie w separatorach płytek ujemnych, których rolę pełni kilka warstw folii celofanowej. Cynk jest uwalniany w postaci kryształów, które rosną w kierunku elektrody dodatniej, tworząc dendryt cynku. Kryształy takie mogą przebić folię celofanową i spowodować zwarcie elektrod. Dendryty cynku nie ulegają reakcjom odwrotnym. Dlatego nawet krótkotrwałe nadmierne obciążenia są niebezpieczne.

3.3 Baterie niklowo-kadmowe

Substancją czynną elektrody ujemnej w akumulatorze niklowo-kadmowym jest kadm metaliczny. Elektrolitem w akumulatorze jest wodny roztwór żrącego potasu KOH o gęstości 1,18...1,40 g/cm 3.

W akumulatorze niklowo-kadmowym zachodzi reakcja redoks pomiędzy kadmem i hydratem tlenku niklu:

2Ni(OH) 3→ Cd(OH) 2+ 2Ni(OH) 2

W uproszczeniu reakcję chemiczną na elektrodach można zapisać w następujący sposób. Na elektrodzie ujemnej podczas wyładowania następuje utlenianie kadmu:

2e → CD ++

Jony kadmu wiążą się z jonami hydroksylowymi zasad, tworząc hydrat kadmu:

2e + 2OH ˉ wypisać → Cd(OH) 2.

Na elektrodzie dodatniej podczas wyładowania nikiel ulega redukcji z trójwartościowego do dwuwartościowego:

2Ni(OH) 3+ 2e wypisać → 2Ni(OH)2 + 2OH ˉ.

Uproszczenie polega na tym, że skład wodorotlenków nie odpowiada dokładnie ich wzorom. Sole kadmu i niklu są słabo rozpuszczalne w wodzie, stąd stężenie jonów Cd ++, Ni ++, Ni +++określa się na podstawie stężenia KOH, od którego pośrednio zależy wartość emf akumulatora w elektrolicie.

Siła elektromotoryczna nowo naładowanego akumulatora wynosi 1,45 V. W ciągu kilku dni po zakończeniu ładowania pole elektromagnetyczne spada do 1,36 V.

3.4 Akumulatory niklowo-wodorowe

Akumulatory niklowo-wodorowe (HBAB), charakteryzujące się wysoką niezawodnością, długą żywotnością i energią właściwą oraz doskonałymi wskaźnikami wydajności, znajdą szerokie zastosowanie w statkach kosmicznych zamiast akumulatorów niklowo-kadmowych.

Do obsługi LVAB na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) potrzebne są zasoby około 30 tysięcy cykli w ciągu pięciu lat. Zastosowanie w LEO akumulatorów o małej głębokości rozładowania (DOD) powoduje odpowiednie zmniejszenie gwarantowanej energii właściwej (przy DOD wynoszącym 40%) można uzyskać 30 tys. cykli. Trzy lata ciągłej pracy cyklicznej w trybie LEO przy GR = 30% dwunastu standardowych NVAB (RNH-30-1) o pojemności 30 A h wykazały, że wszystkie NVAB działały stabilnie przez 14 600 cykli.

Osiągnięty poziom energii właściwej dla NVAB w warunkach orbity bliskiej Ziemi wynosi 40 W · h/kg przy głębokości rozładowania 100%, zasób przy 30% GR wynosi 30 tysięcy cykli.

4/ Dobór parametrów paneli fotowoltaicznych i zasobnika buforowego

Wstępne dane:

Dopuszczalna masa statku kosmicznego - MP = do 15 kg;

Wysokość orbity kołowej wynosi h = 450 km;

Masa układu docelowego nie przekracza 0,5 kg;

Częstotliwość nadawania - 24 GHz;

Pobór napięcia - 3,3 - 3,6 V;

Minimalny pobór mocy transiwera wynosi 300 mW;

Pobór mocy silnika plazmowo-jonowego - 155 W;

Okres aktywnej egzystencji wynosi 2-3 lata.

4.1 Obliczanie parametrów magazynu buforowego

Obliczanie parametrów urządzenia buforowego (BN) z akumulatorów i określanie ich składu przeprowadza się na podstawie ograniczeń nałożonych na akumulatory w zakresie prądów ładowania i rozładowywania, integralnej pojemności rozładowania, pojedynczych głębokości rozładowania, niezawodności, temperatury pracy warunki itp.

Przy obliczaniu parametrów akumulatorów niklowo-wodorowych będziemy posługiwać się następującymi charakterystykami i wzorami [autorzy „Projektowania automatycznego statku kosmicznego”: D.I. Kozlov, G.N. Anszakow, V.F. Agarkov, Yu.G. Antonow § 7.5], a także parametry techniczne AB HB-50 NIAI Źródło, o którym informacja pochodzi ze strony [#"justify">Siła elektromotoryczna nowo naładowanego akumulatora wynosi 1,45 V. W ciągu kilku dni po pod koniec ładowania emf spada do 1,36 V.

· prąd ładowania do 30 A;

· natężenie prądu rozładowania 12 - 50A w stanie ustalonym i do 120 A w trybie impulsowym do 1 minuty;

· maksymalna głębokość rozładowania do 54Ah;

· Podczas eksploatacji akumulatorów (zwłaszcza w trybach cyklicznych, przy dużych prądach ładowania i rozładowywania) należy zapewnić warunki termiczne pracy akumulatorów w zakresie 10...30°C. W tym celu konieczne jest zapewnienie montażu akumulatorów w szczelnym przedziale statku kosmicznego i zapewnienie chłodzenia powietrzem dla każdej jednostki.

Wzory stosowane do obliczania parametrów akumulatorów niklowo-kadmowych:

Napięcie chemicznych źródeł energii elektrycznej różni się od pola elektromagnetycznego wartością spadku napięcia w obwodzie wewnętrznym, który jest określony przez całkowity opór wewnętrzny i przepływający prąd:

, (1)

, (2)

Gdzie I - odpowiednio napięcia rozładowania i ładowania u źródła; I - odpowiednio siła prądu rozładowania i ładowania.

W przypadku ogniw galwanicznych jednorazowego użytku napięcie definiuje się jako wyładowanie .

Pojemność rozładowania Q (Ah) źródła chemicznego to ilość energii elektrycznej dostarczonej przez źródło podczas rozładowania przy określonej temperaturze elektrolitu, ciśnieniu otoczenia, prądzie rozładowania i końcowym napięciu rozładowania:

, (3)

Moc znamionowa źródła prądu chemicznego to moc, jaką źródło musi dostarczyć w warunkach pracy określonych warunkami technicznymi. W przypadku akumulatorów KA za prąd znamionowy i rozładowania najczęściej przyjmuje się prąd jedno-, dwu- lub 10-godzinnego trybu rozładowania.

Samorozładowanie to bezużyteczna utrata pojemności przez źródło chemiczne, gdy obwód zewnętrzny jest otwarty. Zazwyczaj samorozładowanie wyraża się w % na dzień przechowywania:

(4)

Gdzie I - pojemniki na źródła substancji chemicznych przed i po składowaniu; T - czas przechowywania, dni.

Energia właściwa źródła prądu chemicznego to stosunek dostarczonej energii do jego masy:

(5)

Konkretna wartość energii zależy nie tylko od rodzaju źródła, ale także od siły prądu rozładowania, tj. od przejętej władzy. Dlatego chemiczne źródło energii elektrycznej pełniej charakteryzuje się zależnością określonej energii od określonej mocy.

Obliczanie parametrów:

Określmy maksymalny i minimalny czas rozładowania ze wzoru:

Zatem maksymalny czas rozładowania wynosi:

;

minimalny czas rozładowania:

Wynika z tego, że czas rozładowania pozwala projektowanemu satelitowi na korzystanie z prądu elektrycznego średnio przez 167 minut, czyli 2,8 godziny, ponieważ nasza docelowa instalacja pobiera 89 mA, czas rozładowania nie będzie znaczący, co pozytywnie wpływa na dostarczanie prądu elektrycznego prąd do innych ważnych systemów satelitarnych

Wyznaczmy napięcie rozładowania i całkowitą rezystancję wewnętrzną akumulatora ze wzoru:

; (1)

(2)

Widać z tego, że napięcie ładowania można zapewnić w wystarczającym stopniu za pomocą paneli słonecznych, nawet jeśli nie zajmują one dużej powierzchni.

Samorozładowanie można również określić za pomocą wzoru:

(4)

Przyjmijmy czas pracy akumulatora T = 0,923 godziny, Q 1= 50 (Ah) i Q 2 = 6 (Ah) przez trzydzieści minut pracy:

to znaczy przy minimalnym poborze prądu 12 A, w ciągu 30 minut akumulator rozładuje się o 95% przy obwodzie otwartym.

Znajdźmy energię właściwą źródła chemicznego, korzystając ze wzoru:

czyli 1 kg źródła chemicznego może dostarczyć 61,2 W na godzinę, co jest również odpowiednie dla naszej docelowej instalacji, która pracuje z maksymalną mocą 370 mW.

4.2 Obliczanie parametrów panelu fotowoltaicznego

Do obliczenia głównych parametrów systemu bezpieczeństwa mających wpływ na konstrukcję statku kosmicznego i jego parametry techniczne posłużymy się następującymi wzorami [autorzy „Projektowania automatycznego statku kosmicznego”: D.I. Kozlov, G.N. Anszakow, V.F. Agarkov, Yu.G. Antonow § 7.5]:

Obliczanie parametrów SB sprowadza się do określenia jego powierzchni i masy.

Obliczenia mocy SB dokonuje się za pomocą wzoru:

(6)

Gdzie - moc SB; R N - średnia dzienna moc obciążenia (bez uwzględnienia potrzeb własnych SEP); - czas orientacji SB na Słońce na obrót; T T - czas, w którym SB nie jest podświetlona; - Sprawność regulatora nadmiaru mocy SB wynosi 0,85; - sprawność regulatora rozładowania BN równa 0,85; R .3- sprawność regulatora ładowania BN równa 0,9; - Wydajność akumulatorów BN wynosi 0,8.

Powierzchnię baterii słonecznej oblicza się ze wzoru:

(7)

Gdzie - moc właściwa otrzymanego SB:

W/m 2Na = 60°C i 85 W/m 2Na = 110°C dla materiału FEP KSP;

W/m 2Na = 60°C i 100 W/m 2Na = 110°C dla materiału FEP;

W/m 2Na = 60°C i 160 W/m 2Na = 110°C dla materiału PV Ga – As; - współczynnik bezpieczeństwa, uwzględniający degradację ogniw słonecznych pod wpływem promieniowania, równy 1,2 dla czasu pracy od dwóch do trzech lat i 1,4 dla czasu pracy pięciu lat;

Współczynnik wypełnienia obliczony według wzoru 1,12; - Sprawność SB = 0,97.

Masę SB określa się na podstawie określonych parametrów. W obecnie dostępnych konstrukcjach SB ciężar właściwy wynosi = 2,77 kg/m 2dla krzemu i = 4,5 kg/m 2dla ogniw słonecznych z arsenkiem galu.

Masę SB oblicza się ze wzoru:

(8)

Aby rozpocząć obliczanie PDS, musisz wybrać panele słoneczne. Rozważając różne panele słoneczne, wybór padł na: baterie słoneczne organizacji Saturn OJSC oparte na fotokonwerterach GaAs o następujących cechach.

Podstawowe parametry SB

Parametr SBSB w oparciu o GaAs FPS Żywotność aktywna, lata 15 Sprawność w temperaturze 28°C, % 28 Moc właściwa, W/m 2170Maksymalna moc, W/m 2381 Ciężar właściwy, kg/m 2Grubość 1,6FEP, µm150 ± 20

Ponadto do obliczeń będziesz musiał znać okres orbitalny satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej, informacje pobrane ze strony:

· w zakresie od 160 km okres orbitalny wynosi około 88 minut;

· do 2000 km okres ten wynosi około 127 minut.

Do obliczeń przyjmujemy średnią wartość - około 100 minut. Jednocześnie czas świecenia paneli słonecznych statku kosmicznego na orbicie jest dłuższy (około 60 minut) niż czas przebywania w cieniu około 40 minut.

Moc obciążenia jest równa sumie wymaganej mocy układu napędowego, wyposażenia docelowego, mocy ładunku i jest równa 220 W (wartość przyjmuje się przy przekroczeniu 25 W).

Podstawiając wszystkie znane wartości do wzoru, otrzymujemy:

Aby określić powierzchnię panelu SB, weźmiemy materiał PV Ga-As w temperaturze roboczej = 60°C, satelita pracuje od 2-3 lat i korzystamy ze wzoru:

Zastępując oryginalne dane, otrzymujemy:

po przeprowadzeniu obliczeń otrzymujemy

ale biorąc pod uwagę rzadkie ładowanie akumulatora, zastosowanie nowoczesnych technologii przy opracowywaniu innych systemów, a także biorąc pod uwagę fakt, że moc obciążenia została przyjęta z marginesem około 25 W, możliwe jest zmniejszenie powierzchnia układu zasilania do 3,6 m2

Copyright JSC „CDB „BIBKOM” & LLC „Agency Kniga-Service” FEDERALNA AGENCJA EDUKACJI PAŃSTWOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA WYŻSZEJ SZKOLNICTWA ZAWODOWEGO „SAMARA PAŃSTWOWY UNIWERSYTET LOTNICZY im. akademika S.P. QUEEN” M. A. PETROVICHEV, A. S. GURTOV SYSTEM ZASILANIA POKŁADOWEGO KOMPLEKSU WÓZKÓW KOSMICZNYCH Zatwierdzony przez Radę Redakcyjno-Wydawniczą Uniwersytetu jako pomoc dydaktyczna Wydawnictwo SAMARA SSAU 2007 Copyright JSC „CDB „BIBKOM” & LLC „Kniga- Agencja Usługowa” UDC 629,78 .05 BBK 39,62 P306 C IONAL DOCENIJ N A O R I O E C J Y Innowacyjny program edukacyjny „Rozwój centrum kompetencji i szkolenie światowej klasy specjalistów w dziedzinie technologii lotniczych i geoinformacyjnych” Recenzenci PRI: Doktor nauk technicznych A. N. Kopt Ev , zastępca kierownika Katedry Państwowego Centrum Badań Naukowych „TsSKB - Postęp” S. I. Minenko P306 M. A. Pietrowiczew System zasilania kompleksu pokładowego statku kosmicznego: podręcznik / M. A. Pietrowiczew, A. S. Gurtow - Samara : Wydawnictwo Samara State Aerospace University , 2007. – 88 s.: il. ISBN 978-5-7883-0608-7 Rola i znaczenie systemu zasilania statku kosmicznego, elementy tego systemu, szczególna uwaga jest poświęcona rozważeniu zasad działania i konstrukcji zasilaczy, cech ich wykorzystania w technice kosmicznej. Podręcznik zawiera dość obszerny materiał referencyjny, który może zostać wykorzystany w pracach dydaktycznych i projektowaniu dyplomów przez studentów kierunków nieelektrycznych. Podręcznik przeznaczony jest dla studentów specjalności 160802 „Statki kosmiczne i stopnie wyższe”. Może przydać się także młodym specjalistom z branży rakietowej i kosmicznej. Opracowano w Katedrze Lotnictwa. UDC 629.78.05 BBK 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 Petrovichev M.A., Gurtov AS, 2007 Samara State Aerospace University, 2007 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency System zasilania pokładowego kompleksu statków kosmicznych Ze wszystkich rodzajów energii najbardziej uniwersalna jest energia elektryczna. W porównaniu z innymi rodzajami energii posiada szereg zalet: energię elektryczną łatwo przekształca się w inny rodzaj energii, sprawność instalacji elektrycznych jest znacznie wyższa od sprawności instalacji zasilanych innymi rodzajami energii, energia elektryczna jest łatwa do przesyłać przewodami do konsumenta, energia elektryczna jest łatwo rozprowadzana wśród odbiorców. Automatyzacja procesów sterowania lotem dowolnego statku kosmicznego (SC) jest nie do pomyślenia bez energii elektrycznej. Energia elektryczna wykorzystywana jest do napędzania wszystkich elementów urządzeń i wyposażenia statku kosmicznego (grupa napędowa, sterowanie, systemy łączności, oprzyrządowanie, ogrzewanie itp.). Układ zasilania (PSS) statku kosmicznego jest jednym z najważniejszych układów zapewniających działanie statku kosmicznego. Główne wymagania dla SES: zaopatrzenie w energię niezbędną do wykonania całego lotu, niezawodna praca w warunkach nieważkości, niezbędna niezawodność zapewniona przez redundancję (pod względem mocy) głównego źródła i bufora, brak emisji i zużycia gazów, możliwość pracy w dowolnej pozycji w przestrzeni, minimalna waga, minimalne koszty. Cała energia elektryczna niezbędna do realizacji programu lotu (dla normalnej pracy, a także dla niektórych nienormalnych) musi znajdować się na pokładzie statku kosmicznego, ponieważ jej uzupełnienie jest możliwe tylko na stacjach załogowych. O niezawodności SES w dużej mierze decyduje redundancja wszelkiego rodzaju źródeł, przetworników, sprzętu przełączającego i sieci. Nieważkość ma znaczący wpływ na ciecze i gazy, wymuszając stosowanie źródeł niezawierających wolnych cieczy. Zapewnia to również funkcjonalność sprzętu przy zmianie jego położenia w przestrzeni. Biorąc pod uwagę małą objętość wewnętrzną statku kosmicznego, nawet niewielka ilość wchodzącego do niego gazu znacząco zmienia skład atmosfery. Gazy uwalniane ze źródeł niosą ze sobą opary zasad lub kwasów, które prowadzą do korozji i awarii, przede wszystkim komputerów cyfrowych i sprzętu radiowego. Stosowanie takich źródeł na pokładzie statku kosmicznego jest niepożądane. 1. Struktura systemu zasilania statku kosmicznego Głównym systemem zasilania statku kosmicznego jest system prądu stałego. Decyduje o tym fakt, że większość źródeł, które można wykorzystać na pokładzie, to źródła prądu stałego. Sieć prądu przemiennego ma charakter pomocniczy i służy do zasilania ograniczonej liczby odbiorców, na przykład systemu kontroli ruchu. Pierwotne źródło (ryc. 1.1) przekształca dowolną energię (chemiczną, lekką, jądrową) w energię elektryczną i musi zapewniać działanie odbiorców podczas całego lotu. Zużycie energii elektrycznej podczas lotu jest nierównomierne: występują szczyty obciążenia (zwykle podczas pracy z ładunkiem, deorbitacji itp.). ) i momenty, gdy obciążenie jest małe. Aby przeciwdziałać szczytom obciążenia, wykorzystywane jest źródło buforowe. Po raz pierwszy w statku kosmicznym wielokrotnego użytku Shuttle zastosowano bezbuforowy system zasilania. Wyjaśnia to fakt, że samolot wykorzystuje trzy podstawowe źródła oparte na ogniwach paliwowych, co pozwala na zmianę generowanej przez nie mocy. 4 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency System dystrybucji Konwerter Konwerter Sieć Odbiorca Źródło pierwotne Źródło buforowe Rys.1.1. Budowa aparatu kosmicznego systemu zasilania energią Źródło buforowe charakteryzuje się tym, że całkowita wytwarzana przez nie energia jest równa zeru. Ładuje się przy niskim obciążeniu sieci i oddaje energię w szczytach. Zazwyczaj baterie służą jako bufor. Aby dopasować charakterystykę akumulatora do źródła pierwotnego i sieci, stosuje się przetwornice (rys. 1.1.). W pierwszym przypadku jest to ładowarka, w drugim stabilizator napięcia zapewniający stabilność napięcia w sieci. Wytworzona energia elektryczna musi zostać dostarczona do odbiorcy w wymaganej ilości, w określonym czasie i o wymaganej jakości. Zadania te realizuje system dystrybucyjny i sieć elektryczna. System dystrybucyjny łączy odbiorcę z odpowiednim źródłem, zapewnia redundancję (w razie potrzeby) i wyłącza ją, jeśli odbiornik jest uszkodzony. Techniczna realizacja tych procesów odbywa się za pomocą urządzeń przełączających i ochronnych. Sieć elektryczna dostarcza energię elektryczną do konsumenta. Powinien mieć minimalną wagę, ale jednocześnie mieć małe straty energii elektrycznej i zapewniać niezawodne połączenie między odbiorcą a źródłem. 2. Klasyfikacja źródeł pierwotnych Chemiczny Element baterii słonecznej Generator maszyny elektrycznej Paliwo magnetohydrodynamiczne Bateria termoelektryczna Galwaniczna i termoelektryczna Energia elektryczna mechaniczna termiczna światło jądrowe Rys. 2.1. Metody pozyskiwania energii elektrycznej na pokładzie statku kosmicznego Na pokładzie statku kosmicznego jako energię pierwotną można wykorzystać tylko trzy rodzaje energii: chemiczną, jądrową i słoneczną. Ponadto z Ziemi pobierana jest energia chemiczna i nuklearna, a energia słoneczna dostarczana jest bezpośrednio podczas lotu. Istnieją trzy możliwe sposoby bezpośredniej konwersji energii chemicznej na energię elektryczną, tzw. metoda konwersji bezpośredniej. Otrzymujemy w tym przypadku źródła o dość dużej sprawności (około 70%): ogniwa galwaniczne, akumulatory i ogniwa paliwowe (rys. 2.1). 6 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Ogniwa galwaniczne magazynują energię chemiczną bezpośrednio w obudowie, a po jej zużyciu cykl pracy dobiega końca. W akumulatorach możliwa jest podwójna konwersja: podczas ładowania gromadzi się energia chemiczna, podczas rozładowywania energia chemiczna zamieniana jest na energię elektryczną (strzałki na ryc. 2.1 pokazują kierunek konwersji energii). Po raz pierwszy na pokładzie zastosowano srebrno-cynkową baterię alkaliczną (SZA) ze względu na to, że jest najlżejsza, może pracować w dowolnej pozycji oraz nie wydziela i nie zużywa gazów. SCA dała impuls do rozwoju szeregu akumulatorów. Obecnie akumulatory są najczęściej stosowane jako źródła podstawowe i buforowe. W ogniwach paliwowych energia chemiczna jest stale uzupełniana z zewnątrz. Najbardziej rozwinięte są ogniwa paliwowe, które wykorzystują H2 i O2 jako „paliwo”. Reakcja chemiczna utleniania wodoru jest rozdzielana na dwie elektrody. Dzięki temu pozyskujemy energię elektryczną, ciepło i wodę. Źródło to jest dość trudne w obsłudze, ale ma małą masę, dość długą żywotność (do 5000 godzin) i dobrą wydajność. W połączeniu z urządzeniem rozkładającym wodę na H2 i O2 może zapewnić pełny cykl źródła buforowego o długiej żywotności, jest lżejszy od najlepszego akumulatora i ma dość wysoką wydajność. Do produkcji ciepła można wykorzystać wszystkie pierwotne źródła energii (chemiczne, nuklearne i świetlne). Przekształcenie energii cieplnej w energię elektryczną możliwe jest na trzy sposoby: generator termoelektryczny, generator termojonowy (termojonowy) i generator magnetohydrodynamiczny (MHD). Generatory termoelektryczne miały pierwotnie sprawność 0,7% i były używane jako mierniki temperatury zwane „termoparami”. Zastosowanie półprzewodników umożliwiło zwiększenie wydajności do 7-10%. Generatory termoelektryczne w połączeniu z izotopowymi źródłami ciepła tworzą wyjątkowo niezawodne i trwałe źródła energii elektrycznej o małej mocy. Używane na pokładzie jako źródła superawaryjne. Generator termoelektryczny zbudowany jest na zasadzie lampy elektronowej. Ma nieco wyższą wydajność, ale obecność wysokich temperatur sprawia, że jego użycie na pokładzie jest nieracjonalne. W latach 80-tych ubiegłego wieku projektanci technologii kosmicznych zwrócili uwagę na generatory maszynowe, szeroko stosowane w warunkach naziemnych, pomimo potrójnej konwersji energii, obecności drgań i złożoności pracy w warunkach próżni. Generatory te okazały się najtańsze, szczegółowo zbadane, mają dobre właściwości i wydajność nieco poniżej 40% oraz zapewniają dużą moc w małej objętości („Shuttle”). Przy zastosowaniu elektrycznych generatorów maszynowych należy rozwiązać problemy ich pracy w warunkach próżni, napędu i zapewnienia stabilności częstotliwości. Baterie słoneczne (SB) wykorzystują bezpośrednią konwersję energii słonecznej za pomocą przetworników półprzewodnikowych na energię elektryczną. SB mają wydajność do 30%, ale pogarszają manewrowość statku kosmicznego, mają krótką żywotność i nie działają w zacienionej części orbity. W ostatnich latach SB przykuły szczególną uwagę naukowców na całym świecie, ponieważ udało im się osiągnąć wydajność przekraczającą 40%. Zastosowanie arsenku galu umożliwia uzyskanie ultracienkich SB, o niskiej masie i długiej żywotności. Racjonalne jest wykorzystywanie go na orbitach bliskich Ziemi do dostarczania energii elektrycznej do załogowych stacji kosmicznych. Wszystkie powyższe źródła energii elektrycznej są niezwykle drogie, dlatego koszt 1 kWh uzyskanej z paneli słonecznych sięga 40 dolarów. 3. CHEMICZNE ŹRÓDŁA PRĄDU (CHIT) 3.1. Ogólne informacje o chemicznych źródłach prądu (CHS) Chemiczne źródło prądu (CHS) to urządzenie, w którym energia reakcji chemicznej jest bezpośrednio przekształcana w energię elektryczną i odwrotnie. Szeroka gama CCI, różniących się rozmiarem, cechami konstrukcyjnymi i charakterem zachodzącej w nich reakcji generującej prąd, wynika z ich szerokiego zastosowania w różnych warunkach i gałęziach technologii. Zgodnie z zasadą działania HIT dzieli się na następujące grupy: ogniwa galwaniczne (elementy jednorazowego użytku), elementy te zawierają pewien zapas odczynników, po czym ulegają zużyciu i tracą swoją funkcjonalność; baterie (wielokrotnego użytku, akumulatory lub ogniwa odwracalne). Po rozładowaniu akumulatory można ponownie naładować, przepuszczając prąd z obwodu zewnętrznego w odwrotnym kierunku, przy czym z produktów reakcji przywracane są pierwotne substancje. Większość akumulatorów wytrzymuje dużą liczbę cykli ładowania i rozładowania; ogniwa paliwowe. Podczas pracy do ogniw paliwowych dostarczane są w sposób ciągły nowe porcje odczynników i jednocześnie usuwane są produkty reakcji, dzięki czemu mogą one pracować nieprzerwanie przez długi czas. Ponieważ baterie są najczęściej stosowane, niniejsza praca ma na celu zapoznanie się z najpopularniejszymi typami. 3.2 Baterie srebrno-cynkowe Baterie srebrno-cynkowe (SC) są odmianą baterii alkalicznych z ujemną elektrodą cynkową i dodatnią elektrodą srebrną. Elektrolitem jest roztwór chemicznie czystego wodorotlenku potasu o stężeniu około 560 g/l (gęstość elektrolitu wynosi około 1,4). Reakcję generującą prąd można przedstawić za pomocą następujących równań: 2Ag + Zn O wyładowanie ładunku Ag2 O + Zn Ag 2O + Zn wyładowanie ładunku Ag + Zn O. Podczas ładowania akumulatora na elektrodach dodatnich metaliczne srebro Ag utlenia się najpierw do półtlenku Ag2O, a następnie do tlenku Ag0, przy ujemnej redukcji tlenku cynku (Zn0) do cynku metalicznego (Zn). Występowanie dwóch etapów reakcji chemicznej determinuje dwa etapy ładowania i rozładowywania akumulatorów SC (patrz rys. 3.3-3.4). Oprócz głównych reakcji, podczas obsługi i przechowywania akumulatorów SC może wystąpić szereg działań niepożądanych. Jedną z reakcji ubocznych jest samorozpuszczenie metalicznego cynku (korozja), któremu towarzyszy wydzielanie się wodoru. W temperaturze 20°C z 1 amperogodziny pojemności akumulatora dziennie wydziela się 0,3-0,4 ml wodoru, w temperaturze 0°C – 0,13 ml, w temperaturze 40°C – 2 ml. Symbol baterii srebrno-cynkowych składa się z liter ST, które określają ich przynależność, liter charakteryzujących rodzaj konstrukcji i czas rozładowania: 9 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency K - krótkie (od 15 minut do 1 - cogodzinny); C - średni (od 1 godziny do 10 godzin); D - długoterminowy (10 godzin i więcej); K - średni, wielocyklowy; B - bufor, wielocykl i liczby warunkowo pokazujące pojemność akumulatora. Cztero- lub pięciocyfrowy numer wersji technologicznej jest wskazany linią ułamkową do symbolu baterii. Akumulatory połączone szeregowo tworzą baterie i tworzą źródło zasilania. 3.2.1 Główne cechy techniczne i operacyjne: Energia właściwa -<=130 Вт-ч/кг. Ресурс - до 100 зарядно-разрядных циклов. Срок службы - до 0.5 – 1 год. Диапазон рабочих температур - от 0 до 40 С. В чем причина установки серебряно-цинковых аккумуляторов на борт космических аппаратов? 1. Аккумулятор самый легкий из всех существующих. Удельная энергия СЦ до 130 Вт-ч/кг, а у свинцового всего - 22. Это объясняется тем, что у СЦ аккумуляторов используются пористые электроды, в которых работает вся масса электрода, а в свинцовых – сплошные, и реакция в них происходит только в поверхностном слое. 2. 3. 10 Как видно из уравнения химической реакции в СЦ аккумуляторе реакция происходит без выделения и поглощения газов, что позволяет делать аккумуляторы герметизированными. Это особенно важно для космических аппаратов с их малым свободным объемом. Если бы происходило выделение или поглащение газов, то атмосфера КА наполнялась парами щелочи, что отрицательно сказалось на работе электронной аппаратуры, особенно БЦВМ. В процессе работы аккумулятора не расходуется электролит, что позволяет использовать небольшие количества электролита, который находится в пластинах электродов и сепараторе. Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 1. 2. 3. Отсутствие «свободного» электролита позволяет использовать аккумулятор в любом пространственном положении. К недостаткам аккумулятора можно отнести: Малый срок службы. Двухступенчатость зарядно-разрядных характеристик, что усложняет и удорожает зарядное устройство, и неудобно для потребителей электроэнергии. Высокая стоимость аккумулятора (серебро). 3.2.2. Устройство серебряно-цинковых аккумуляторов Положительный электрод серебряно-цинкового аккумулятора изготавливается из серебра. Характерной особенностью серебра является легкость его восстановления до металла из соединений. Благодаря этому и хорошей электропроводности на основе его соединений можно конструировать разные химические источники тока. Положительные электроды аккумуляторов изготавливаются из порошка серебра, который прессуется на каркас из серебряной проволоки, отрицательный электрод изготавливается из цинка. В серебряно-цинковых аккумуляторах используется нерастворимый отрицательный электрод. В этом электроде, благодаря применению высокопористого цинкового электрода и малого количества электролита, который в основном находится в порах электрода и сепараторного материала, обеспечиваются значительно лучшие условия для работы цинкового электрода. В отечественных аккумуляторах отрицательные электроды изготавливаются так называемым намазным способом - паста из порошка цинка намазывается на каркас из освинцованной медной проволоки, затем осуществляется подпрессовка и прокалка. Использование пористых электродов позволяет значительно снизить массу аккумулятора (увеличить удельную энергию), поскольку в процессе образования тока участвует весь объем электродов. Для того, чтобы ионы успевали проникать внутрь электродов, их приходится делать тонкими, поэтому в одном корпусе (банке) располагается большое количество положительных Ag и отрицательных Zn электродов, разделенных изолирующим материалом - сепаратором. В ходе разработки серебряно-цинковых аккумуляторов одной из основных проблем явилась проблема сепарации, при малом электрическом сопротивлении и хорошей химической стойкости в щелочи, сепарация 11 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» должна препятствовать продвижению через нее частиц серебра и дендритов цинка. В настоящее время в серебряно-цинковых аккумуляторах получила применение сепарация из целлюлозы, в которую «одевается» отрицательный электрод (рис. 3.2). Эта сепарация не имеет сквозных пор, через которые электролит мог бы свободно диффундировать от одного электрода к другому. Целлофановая сепарация после помещения ее в раствор щелочи впитывает в себя электролит, набухает и увеличивает свою толщину в 2-5 раза. Перенос ионов через такую сепарацию происходит принудительно (под влиянием электрического поля, возникающего в работающем аккумуляторе). Целлофановая пленка довольно легко подвергается окислению окислами серебра и кислородом, выделяющимся на серебряном электроде при перезаряде (заряд свыше номинальной емкости) аккумулятора. Для уменьшения окисления сепаратора на положительный электрод одевается дополнительная сепарация из капроновой ткани – «капроновый чулок». Сборка аккумуляторных блоков в сосуде производится с таким расчетом, что набухающая сепарация создает достаточное давление, препятствующее сползанию активной массы отрицательного электрода и уменьшению роста дендритов цинка. Следует отметить, что целлофановая пленка не отвечает в полной мере требованиям, предъявляемым к сепарации серебряно-цинковых аккумуляторов. При определенных условиях дендриты цинка могут прорастать через целлофан за счет восстановления цинка в толще сепарации, замыкая пластины аккумулятора - основная причина малого срока аккумулятора. Постепенное химическое разрушение сепаратной пленки за счет окисления является другой причиной, ограничивающей в настоящее время срок службы серебряно-цинковых аккумуляторов. Практически электролит в аккумуляторе не расходуется, поэтому oбщее количество его обычно невелико - в порах активных масс и сепарации. При неплотно закрытых пробках он начинает поглощать углекислый газ из воздуха, что ведет к увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора. С ростом числа разрядно-зарядных циклов уровень электролита начинает понижаться за счет разложения воды в конце заряда. 12 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Сосуды для аккумуляторов (банки) (рис.3.1,поз.1), в которых размещаются пакеты электродов, и крышки (рис.3.1,поз.2) изготавливаются из полистирола или полиамида методом штамповки или литья под давлением. В крышке аккумулятора имеется отверстие для заливки электролита и вентиляции. Заливочное отверстие закрывается газоотводной пробкой Рис.3.1. Внешний вид аккумулятора (см. рис.3.1 поз. 4). В пробке предусматривается отверстие с клапаном для выпуска скопившихся газов. Пробки водонепроницаемы и открываются только при опреде-ленном избыточном давлении внутри аккумуляторного суда. Сборка аккумуляторного блока (рис.3.2) производится следующим образом: две отрицательные пластины 1 заворачиваются в целлофановую пленку 2, а затем сгибаются по линии 3. 13 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 1 2 3 4 Рис.3.2. Сборка электродов в аккумуляторный блок: 1-отрицательный электроды, 2-целофан, 3- линия сгиба, 4- выводы отрицательных электродов. Между ними помещается положительный электрод, на который надет капроновый мешок. 3.2.3. Основные рабочие характеристики серебряно-цинкового аккумулятора: а) Приведение в действие. Для этого необходимо выполнить три операции: заливку и пропитку его электролитом, формирование электродов, рабочий заряд. Процесс формирования электродов серебряноцинковых аккумуляторов сложен и занимает длительное время ~ от 70 до 100 часов, поэтому в последние годы разработаны и выпускаются сухозаряженные аккумуляторы, способные работать непосредственно после заливки электролитом и пропитки им сепарации и электродов; Заряжаются обычно аккумуляторы номинальным током. Для большинства серебряно-цинковых аккумуляторов им является ток 10-20 часового заряда. б) Зарядно-разрядные характеристики. На рис. 3.3. представлены зарядные характеристика аккумулятора. Первая ступень (напряжение 1,62-1,65В) соответствует образованию полуокиси серебра и составляет около 25-50% от общей длительности заряда. Вторая ступень (напряжение 1,92-1,95В) соответствует образованию окиси серебра, и заряд на этой ступени занимает около 70% времени. 14 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Когда зарядное напряжение достигает 2В, начинается разложение воды и выделение кислорода на положительном электроде. Продолжение заряда аккумулятора не только бесполезно, но и вредно, поскольку при этом происходит только разложение воды, выделяющийся на серебряных электродах кислород окисляет целлофан, уменьшая его механическую прочность. Пологие участки зарядной характеристики имеют очень малый наклон. Это объясняется тем, что потери в СЦ аккумуляторе малы. Зарядная характеристика СЦ аккумулятора чрезвычайно неудобна в работе: а) зарядное устройство должно обеспечивать скачок напряжения. Это должен быть источник тока (внутреннее сопротивление источника должно быть большим, чтобы ток не зависел от сопротивления нагрузки); U, B 2Iн 2.0 Iз=Iн 10Iн 1.8 1.6 1.4 0.25 0.5 0.75 1.0 Qз/Qн Рис.3.3. Зарядные характеристики при различных токах заряда б) в силу пологости характеристик нельзя определить заряжен аккумулятор или нет; в) категорически запрещено включать на зарядку акку-муляторы параллельно, поскольку у одного аккумулятора можно «высушить» электролит, разлагая воду. Заряд аккумулятора токами больше чем номинальный приводит к тому, что он принимает меньший заряд (рис. 3.3), поскольку при 15 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» увеличении тока заряда химические процессы происходят только на поверхности электродов, что приводит к уменьшению емкости аккумулятора. в) Разряд аккумулятора. (разрядные кривые представлены на рис. 3.4.) По оси аргументов использована относительная координата: отношение отдаваемой емкости Qр (а-час) к емкости разряда при номинальном разрядном токе Qн. С ростом разрядного тока величина напряжения на клеммах аккумулятора падает, уменьшается также отдаваемая емкость (рис.3.4). При разряде аккумулятора небольшими токами (Iраз= 200°С – nikiel Ni. Aby zapewnić normalną pracę ogniw paliwowych, wymagane są specjalne elektrody (ryc. 3.20). Ta grubość płyty jest wystarczająca, aby zapewnić różnicę ciśnień pomiędzy cieczą i gazem wynoszącą ± 0,5 atm. Elektroda musi być dwuwarstwowa. Pierwsza cienka warstwa z małymi otworami pokryta jest środkiem zwilżającym, który wytwarza siłę kapilarną wypychającą ciecz w kierunku gazu. Druga, grubsza część elektrody posiada otwory o średnicy 30-50 mikronów, które pokryte są substancją niezwilżającą, która ma tendencję do wypychania cieczy w kierunku elektrolitu. Na przykład wzrosło ciśnienie w cieczy. Z tego powodu ciecz przemieszcza się w kierunku gazu, zwiększa się siła niezwilżania, kompensując nadciśnienie. Obecnie elektrody wykonywane są z drutu w technologii „metal-guma”. Teoretycznie wymiary ogniwa paliwowego mogą być dowolnie duże. Jednak w praktyce kilka ogniw łączy się w małe moduły lub akumulatory, które łączy się szeregowo lub równolegle. 3.5.2. Klasyfikacja ogniw paliwowych Istnieją różne typy ogniw paliwowych. Można je klasyfikować np. ze względu na stosowane paliwo, ciśnienie i temperaturę roboczą oraz sposób usuwania wody. a) według rodzaju paliwa: w oparciu o H2 i O2. Produktem reakcji jest ciepło, energia elektryczna i woda. W przypadku statków kosmicznych jest to najwygodniejszy rodzaj paliwa, ponieważ w systemie podtrzymywania życia (LCS) można wykorzystać wodę i tlen. W zasadzie ogniwa paliwowe mogą działać na dowolnym paliwie. b) według temperatury roboczej: niska temperatura – do 100°С („Shuttle”, „Gemini”). Identyfikację niskotemperaturowej grupy ogniw paliwowych tłumaczy się sposobami gromadzenia wody, gdyż w przypadku tych ogniw paliwowych jest ona w stanie ciekłym; średnia temperatura – do 260°–300°С („Apollo”). Te ogniwa paliwowe charakteryzują się maksymalną szybkością reakcji. wysoka temperatura – 1000°С. Stosowanie takich ogniw paliwowych na statkach kosmicznych jest problematyczne ze względu na wysoką temperaturę i trudności z odprowadzaniem ciepła. Trwają intensywne prace nad stworzeniem ogniw paliwowych na potrzeby ziemskie, pracujących na gazie ziemnym i tlenie z powietrza w temperaturach 500-7000C ze sprawnością około 70%. c) zgodnie ze sposobem zbierania wody: knot (jak w lampie naftowej). Używany na Bliźniakach, bardzo wolno się przystosowuje; 32 Copyright JSC "CDB "BIBKOM" Sp. z oo "Agencja Kniga-Service" środek wyparny, typowy dla średniotemperaturowych ogniw paliwowych, gdzie woda występuje w stanie gazowym; dynamiczny: wykorzystuje komorę o niskim ciśnieniu cząstkowym wody, połączoną z komorą gazowego wodoru za pomocą membrany o jednokierunkowym przewodnictwie wody. d) według rodzaju elektrolitu: ciecz, stopiony KOH stosuje się w temperaturze około 2500 C; ciało stałe (membrana jonowymienna), nośnik ładunku - jon wodoru; matrix stosuje się materiał z mikroporami - azbest, do którego wlewa się ciekły elektrolit. 3.5.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa paliwowego B 1,23 1 2 3 J A/cm2 0 50 100 150 200 250 Rys. 3.21. Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniw paliwowych Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniw paliwowych tlenowo-wodorowych (rys. 3.21.) można podzielić na trzy części w zależności od procesu wyznaczającego spadek napięcia. Pole elektromagnetyczne takiego ogniwa paliwowego wynosi 1,23 V. Sekcja 1: charakteryzuje się zużyciem energii na organizację procesu chemicznego (polaryzacja chemiczna) (ryc. 3.21, sekcja 1); 33 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Sekcja II charakteryzuje się dominującym spadkiem napięcia na elementach „omowych” – na elektrodach i elektrolicie; 3. sekcja - jony nie mają czasu przedostać się do elektrod, brak stężenia jonów (polaryzacja stężenia). Wzrost temperatury elektrolitu prowadzi do zmniejszenia kosztów energii na organizację procesu chemicznego, a w temperaturze około 20 000 C proces przebiega samodzielnie. Zmiana temperatury ma niewielki wpływ na wielkość spadku napięcia w odcinku 2. W odcinku 3 początkowy wzrost temperatury prowadzi do wzrostu energii jonów - nachylenie maleje. Wzrost temperatury powoduje wzrost drgań cząsteczek elektrolitu, co utrudnia ruch jonów, a prędkość ruchu jonów maleje. Zatem istnieje optymalna temperatura elektrolitu, przy której spadek napięcia na odcinku 3 będzie minimalny. Dla elektrolitu KOH o stężeniu 1,8 optymalna temperatura wynosi około 250 ° C. Aby elektrolit pozostał ciekły, wymagane jest ciśnienie około 4,5 atm. W przypadku ogniw paliwowych nie ma termodynamicznych ograniczeń efektywności energetycznej. W istniejących ogniwach paliwowych od 60 do 70% energii paliwa jest bezpośrednio przekształcane w energię elektryczną. Ogniwa paliwowe mogą w najbliższej przyszłości stać się szeroko stosowanym źródłem energii w transporcie, przemyśle i gospodarstwach domowych. Wysoki koszt ogniw paliwowych ograniczył ich zastosowanie do zastosowań wojskowych i kosmicznych. Przewidywane zastosowania ogniw paliwowych obejmują przenośne źródła zasilania do zastosowań wojskowych i kompaktowe alternatywne źródła zasilania dla zasilanych energią słoneczną satelitów znajdujących się nisko nad Ziemią, krążących po długich orbitach cienia. Niewielkie rozmiary i waga elementów paliwowych umożliwiły wykorzystanie ich w załogowych lotach na Księżyc. Ogniwa paliwowe znajdujące się na pokładzie trzymiejscowego statku kosmicznego Apollo zostały wykorzystane do zasilania komputerów pokładowych i systemów komunikacji radiowej. Ogniwa paliwowe można wykorzystać do zasilania urządzeń znajdujących się w odległych obszarach, w pojazdach terenowych, np. w budownictwie. W połączeniu z silnikiem elektrycznym prądu stałego ogniwo paliwowe będzie wydajnym źródłem napędu pojazdu. 34 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Powszechne zastosowanie ogniw paliwowych wymaga znacznego postępu technologicznego, obniżenia ich kosztów oraz możliwości efektywnego wykorzystania taniego paliwa. Jeśli te warunki zostaną spełnione, ogniwa paliwowe sprawią, że energia elektryczna i mechaniczna stanie się powszechnie dostępna na całym świecie. 3.5.4. Urządzenie w postaci ciekłego ogniwa paliwowego TE z ciekłym elektrolitem zostało wykorzystane podczas lotów Apollo na Księżyc. Jako elektrolit zastosowano stopiony KOH o stężeniu 1,8. W temperaturach poniżej 200 stopni elektrolit ten nie przewodzi prądu, dlatego aby zadziałał, należy go podgrzać jakimś źródłem. Nikiel jest stosowany jako główny materiał konstrukcyjny, ponieważ dobrze zachowuje się w podwyższonych temperaturach i jest katalizatorem. Żywotność takiego ogniwa paliwowego wynosi około 500 godzin. Główne zalety: możliwość uzyskania dużej gęstości prądu - do 250 miliamperów na centymetr kwadratowy, zastosowanie taniego katalizatora i materiału konstrukcyjnego, gdyż elektrolit nie bierze udziału w reakcji, ogniwo paliwowe posiada go w małych ilościach, więc grubość ogniwa wynosi kilka milimetrów. 35 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Obsługi Książek Ryc. 3.22. Budowa ogniwa paliwowego ciekłego 1 – elastyczny korpus wykonany z Ni, 2 – komora gazowa tlenowa wykonana z Ni, 3 – elektroda tlenowa, drut Ni, 4 – elektrolit w postaci stopionego KOH, 5 – separator fluoroplastyczny, 6 – komora gazowo-wodorowa, 7 – elektroda ujemna, 8 – izolator. Wady ogniw paliwowych z ciekłym elektrolitem: aby ogniwo paliwowe zaczęło działać, należy je nagrzać do temperatury 200-2500 C, aby utrzymać ogniwo paliwowe w dobrym stanie, należy pobierać prąd elektryczny, niezależnie od tego, czy jest on potrzebny w tym czasie, czy nie; krótka żywotność; potrzebny jest dobry układ chłodzenia. Konstrukcyjnie ogniwo paliwowe wykonane jest w postaci dwóch połówek wykonanych z niklowej obudowy (rys. 3.22, poz. 1), oddzielonych (elektrycznie) izolatorem 8. Elektrody są dwuwarstwowe, wykonane z drutu niklowego. Komory gazowe 2 i 6 są wytłoczone z niklu i przyspawane w kilku miejscach do elektrod. Pomiędzy elektrodami, aby zapobiec zwarciom, znajduje się separator fluoroplastyczny 5. Aby zapewnić ciśnienie wewnątrz ogniwa paliwowego, jego korpus 1 (ryc. 3.22) jest elastyczny. Wymaganą liczbę ogniw paliwowych (aby uzyskać napięcie 27 V, ogniwa paliwowe łączy się szeregowo) umieszcza się w cylindrze, w którym wytwarza się ciśnienie wewnętrzne. Ponieważ obudowa nie jest połączona ze środowiskiem zewnętrznym, nie tworzą się w niej pęcherzyki powietrza, zapewniając w ten sposób niezawodność ogniwa paliwowego. Aby usunąć ciepło i zapewnić żądaną temperaturę elektrolitu i elektrody H2, H2 przedmuchuje się przez komorę wodorową. Wraz z wodorem z komory gazowej usuwane są pary H2O, które w procesie chłodzenia ulegają kondensacji. Charakterystyczną cechą ogniwa paliwowego jest to, że reagują tylko H2 i O2. Wszystkie zanieczyszczenia obecne w gazach gromadzą się w komorach gazowych, zmniejszając powierzchnię kontaktu H2 i O2 z elektrolitem, a prąd lub napięcie maleje. Aby temu zapobiec, komory gazowe są okresowo czyszczone, wyrzucając ich zawartość. Straty H2 i O2 w wyniku przedmuchu wynoszą 10-14%. 3.5.5. Ogniwo paliwowe z membraną jonowymienną (IEM) Ogniwo paliwowe oparte na IEM jest stosowane w promie kosmicznym od wielu lat. Te ogniwa paliwowe mają szereg zalet w porównaniu do ogniw paliwowych z ciekłym elektrolitem: długa żywotność (do 5000 godzin); stała gotowość do pracy; gdy nie ma zużycia energii, nie zużywa się paliwa. IOM wykorzystują najlżejszy jon – H+ (ryc. 3.23.). Pozwala to wydać minimum energii na jego ruch i uzyskać dużą prędkość ruchu jonów. Istnieją 2 rodzaje IOM: 1. o maksymalnej temperaturze 42°С; 2. na bazie fluoru o maksymalnej temperaturze 82°С. 37 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Usług Księgarni Ryc. 3.23. Urządzenie FC z membraną jonowymienną 1 – komora tlenowa, 2 – STR, 3 – układ gromadzenia H2O, 4 – elektroda dodatnia, 5 – elektrolit stały – membrana jonowymienna, 6 – elektroda wodorowa 7 – komora gazowa wodorowa. Ogniwa paliwowe oparte na IOM są niskotemperaturowe. Maksymalna gęstość prądu pierwszego IOM wynosi 25-30 mA/cm2, drugiego IOM do 200 mA/cm2. W tym ogniwie paliwowym na elektrodzie tlenowej tworzy się H2O i uwalniane jest ciepło. IOM mają kluczowe znaczenie dla temperatury i wilgotności. Podczas suszenia IOM pękają (wraz ze wzrostem temperatury), zmniejszając prąd wyjściowy. Komory gazowe wykonane są z tytanu Ti, elektrody z drutu tytanowego pokrytego jedną lub dwiema warstwami molekularnymi platyną Pt. Pobieranie wody w pierwszych ogniwach paliwowych odbywało się za pomocą knotów, w nowoczesnych ogniwach paliwowych – za pomocą komory o niskim ciśnieniu parcjalnym wody i jej dynamicznego zasysania. Żywotność nowoczesnego ogniwa paliwowego z IOM sięga 5000 godzin. 3.5.6. System energetyczny oparty na ogniwach paliwowych Jak wspomniano powyżej, ogniwa paliwowe mogą działać tylko wtedy, gdy istnieją systemy wspomagające. Układ magazynowania i dostarczania składników (SCiP) płynów roboczych (rys. 3.24.) zapewnia magazynowanie wodoru i tlenu oraz dostarczanie ich do ogniwa paliwowego w zadanej temperaturze i ciśnieniu. System może być zbudowany w oparciu o butlę gazową i kriogeniczne magazynowanie cieczy roboczych. Jedną z zalet paliwa wodorowo-tlenowego jest system magazynowania i zasilania o wysokiej zawartości H2 O EKG. Konsumenci STR System sterowania H Q Ryc. 3.24. Konstrukcja układu zasilania oparta na energii właściwej ogniw paliwowych q = 2540 Wh na kilogram masy. Z tabeli wynika, że w przypadku wodorowo-tlenowych ogniw paliwowych najbardziej odpowiednie jest kriogeniczne przechowywanie płynów roboczych. Tabela. Metody magazynowania i dostarczania wodoru i tlenu №/№ Metoda przechowywania Energia właściwa, Wh/kg 1 bez systemów magazynowania i zasilania 2540 system przechowywania butli 130 2 system magazynowania butli metalowych 260 3 kompozyt 4 kriogeniczny system magazynowania 1580 System butli gazowych umożliwia przechowywanie zapasów paliwa przez dość długi czas, z długimi przerwami w pracy, zapewnienie i regulacja zadanego ciśnienia wodoru i tlenu odbywa się w prosty sposób, ale butle są ciężkie, co znacznie zmniejsza energię właściwą ogniwa słonecznego. Kriogeniczny SHP zapewnia wysoką wartość energii właściwej, ale jest bardzo skomplikowany, kosztowny i pozwala na lot trwający nie dłużej niż 2 tygodnie. Konserwacja składników w stanie ciekłym odbywa się poprzez „chłodzenie”, tj. odparowanie składników. Dlatego też, jeśli nie następuje zużycie składników, ich zużycie jest kontynuowane, zapewniając stan ciekły ze względu na ciepło parowania. Zbiornik kriogeniczny składa się z dwóch polerowanych pojemników włożonych jeden w drugi, przestrzeń pomiędzy nimi jest opróżniona. Podczas pracy FC wymagana ilość tlenu i wodoru zależy od zużytej energii elektrycznej. Aby uzyskać wymaganą ilość gazów wodoru i tlenu, wewnątrz zbiornika znajduje się grzałka sterowana ciśnieniem panującym w zbiorniku. Zbiornik posiada również wentylator zapewniający mieszanie cieczy (co jest szczególnie istotne w warunkach zerowej grawitacji). Ochronę przed wysokim ciśnieniem zapewnia zawór spustowy. Na wylocie zbiornika kriogenicznego znajduje się pompa zapewniająca niezbędne ciśnienie gazu w komorach roboczych ogniwa paliwowego. Biorąc pod uwagę złożoność układu kriogenicznego i szczególne warunki jego działania, jasne jest, dlaczego pierwszy wypadek z elektrownią słoneczną miał miejsce na Apollo 13, gdzie eksplodował kriogeniczny zbiornik tlenu. Generator elektrochemiczny (EKG) to generator energii elektrycznej oparty na ogniwach paliwowych połączonych w akumulator. Aby uzyskać wymagane napięcie, łączy się szeregowo do 30 ogniw paliwowych, przy czym komory gazowe ogniwa paliwowego zasilane są względem siebie, dlatego też do dostarczenia wodoru i tlenu do ogniwa paliwowego konieczne jest zastosowanie rurociągów wykonanych materiału izolacyjnego. Zazwyczaj dostarczanie płynów roboczych i oczyszczanie odbywa się za pośrednictwem połączonych równolegle rurociągów. EKG obejmuje również podsystemy usuwania wody i ciepła. Podsystem gromadzenia wody może być statyczny z wykorzystaniem knotów lub tworzący gradient ciśnienia pary wodnej ze strefy reakcji elektrochemicznej do wnęki oddzielającej wilgoć lub dynamiczny z cyrkulacją wodoru przez komory suszące. Woda jest zwykle wykorzystywana w systemie podtrzymywania życia (LCS) załogi. 40 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Podsystem usuwania ciepła z ogniwa paliwowego zapewnia gromadzenie ciepła i jego przekazywanie do systemu kontroli termicznej statku kosmicznego (TRS). Układ sterowania (CS) zapewnia automatyczną kontrolę wszystkich elementów systemu elektroenergetycznego w zależności od ilości pobieranej energii elektrycznej.Jako przykład rozważmy główne parametry systemu zasilania statku kosmicznego Shuttle wielokrotnego użytku opartego na ogniwach paliwowych. Moc, kW: 4 minimalna 14 maksymalna szczytowa: 20 przez 60 minut. 24 przez 2 minuty Rodzaj prądu Stałe napięcie stałe, V 27,5 – 32,5 Energochłonność, kWh: 1480 nominalna 50 dla ładunku 120 awaryjna Woda w płynie chłodzącym wytwarzana przez EKG, kg 500 Tlen do chłodziwa przechowywanego w zbiornikach elektrowni, kg 100 Zasób jednego cykl, dni. 7 Liczba cykli 100 Zasób całkowity, godzina 5000 Czas życia, lata 10 Czas trwania przygotowania przedstartowego, 24 godziny Czas utrzymywania gotowości do 24 startów, godzina 4. Generatory termoelektryczne Problem znalezienia źródeł energii zdolnych do zasilania w trybie autonomicznym tryb jest bardzo istotny. Stosowanie zasady bezpośredniej konwersji energii cieplnej na energię elektryczną 41 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency pozwala nam rozwiązać problem. Spośród znanych układów wykorzystujących tę zasadę (przetwornice termoelektryczne, termoelektryczne i generatory MHD) o mocy elektrycznej dochodzącej do kilku kilowatów, długiej żywotności (ponad 10 lat), dużej niezawodności i autonomii, posiadają obecnie jedynie układy z przetwornicami termoelektrycznymi, które sprawia, że są one najbardziej preferowane do stosowania jako autonomiczne źródła prądu. Zasada działania. Kiedy jeden koniec przewodnika jest podgrzewany, nośniki energii elektrycznej przemieszczają się od nagrzanego końca do zimnego końca, tworząc różnicę potencjałów (ryc. 4.1a). T1 T1 - - T1 EMF T2 T2 + ciepło a) b) Rys. 4.1. Zasada działania generatora termoelektrycznego Aby usunąć różnicę potencjałów, potrzebny będzie drugi przewodnik, którego jeden koniec również się nagrzeje i wytworzy w nim różnicę potencjałów (ryc. 4.1b). Jeśli weźmiemy przewodniki z tego samego materiału, całkowita różnica potencjałów będzie zawsze wynosić zero. Przewodniki muszą być wykonane z różnych materiałów. Najlepsza para materiałów metalicznych, miedź-konstantan, ma emf 46,3 miliwoltów przy różnicy temperatur 1000° i sprawność około 0,7%. Sprawność przetwornika termoelektrycznego określa się na podstawie sprawności cieplnej i sprawności konwersji 42 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency η = ηт *ηpr Sprawność cieplna zależy od różnicy temperatur pomiędzy gorącym T2 i zimnym końcem T1 ηт = (T2 - T1)/T2, a dla termoelementu metalowego maksimum będzie wynosić około 80%. Dlatego sprawność konwersji nie przekracza 10%. Wyjaśnia to fakt, że w metalu znajdują się identyczne nośniki - elektrony, a różnice potencjałów uzyskane w każdym przewodniku są odejmowanie (ryc. 4.1b). Połączenie nagrzanych przewodów nazywa się „gorącym złączem”, a połączenie nieogrzewane nazywa się „zimnym złączem”. Taki termoelement nie służy do wytwarzania energii elektrycznej, ale służy do pomiaru temperatury i nazywany jest „termoparą”. Aby wytworzyć energię elektryczną, konieczne jest zwiększenie wydajności konwersji, czego można dokonać za pomocą półprzewodników o różnych nośnikach - p i n. W tym przypadku wydajność konwersji staje się znacznie wyższa. Jednak w przypadku najpopularniejszych półprzewodników krzemowych maksymalna temperatura wynosi 1500 C, a ogólna wydajność nie przekracza 7-10%. Materiały półprzewodnikowe stosowane w takich generatorach muszą mieć najwyższy możliwy współczynnik termoemf. , dobra przewodność elektryczna i niska przewodność cieplna. p Płyty łączące n p ciepło Rys. 4.2. Projekt półprzewodnika TEG 43 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Ta ostatnia jest niezbędna w celu uzyskania znacznej różnicy temperatur pomiędzy zimnym i gorącym złączem kryształów. Wymagania te najlepiej spełniają silnie domieszkowane materiały półprzewodnikowe (półmetale). 0,25 Napięcie, V 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Prąd, A Rys. 4.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa TEG Strukturę półprzewodnikowego TEG pokazano na ryc. 4.2. Bateria termoelementów zbudowana jest z kryształów p i n umieszczonych pomiędzy powierzchniami nagrzanymi i chłodzonymi (rys. 4.2.). Elementy półprzewodnikowe p i n są ułożone naprzemiennie, tak że siły elektromotoryczne są sumowane (pokazane strzałkami). Do łączenia elementów półprzewodnikowych służą płytki metalowe. Ponieważ działanie generatora termoelektrycznego nie wymaga dużej czystości zastosowanych materiałów, generatory są stosunkowo tanie i z powodzeniem działają w warunkach promieniowania przenikliwego. Do ogrzewania można wykorzystać ciepło incydentalne (światło słoneczne, nagrzewanie się ściany instalacji podczas pracy) oraz ciepło ze specjalnego generatora (radiizotop, reaktor jądrowy). Pomimo niskiej sprawności, nieprzekraczającej 10%, generatory termoelektryczne znajdują szerokie zastosowanie do zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych. Wyjaśnia to łatwość obsługi, wysoka niezawodność i niski koszt. Zewnętrzna charakterystyka jednego z termoelementów (rys. 4.3) spada dość stromo, więc zwarcia dla takiego generatora nie są groźne, ale TEG-y mogą zatem służyć jako źródła indywidualne. Ryż. 4.4. Wygląd TEB o konstrukcji pierścienia promieniowego W domowych przemysłowych i eksperymentalnych generatorach termoelektrycznych (TEG) zasilanych gazem ziemnym maksymalna jednostkowa moc elektryczna nie przekracza 150 W. Moc jednostkowa pracy TEG z ogrzewaniem reaktora jądrowego sięga 5 kW. Najbardziej racjonalnym źródłem ciepła dla statków kosmicznych są izotopy. Takie połączenie półprzewodnika TEG i izotopu umożliwia tworzenie źródeł, które działają niezawodnie przez wiele lat. TEG-y do technologii kosmicznej mają małą moc i służą jako źródła awaryjne do włączania materiałów pirotechnicznych. Na satelitach nadających się do zamieszkania takie źródło jest zbyt ciężkie ze względu na ochronę przed promieniowaniem. Baterie termoelektryczne (TEB) mogą mieć kształt płaski lub promieniowy. Powszechną wadą ogniw paliwowych o płaskiej geometrii jest znaczna degradacja mocy elektrycznej i wydajności systemu podczas powtarzających się cykli cieplnych oraz ze względu na wzrost wewnętrznego oporu elektrycznego. Niedociągnięcia te można wyeliminować stosując ogniwa paliwowe o promieniowej geometrii pierścieniowej (rys. 4.4.). Pozwala znacznie ograniczyć straty ciepła przez elementy konstrukcyjne.Elementy cylindryczne z przewodzeniem ciepła po promieniu są konstrukcyjnie dobrze kompatybilne z najpopularniejszymi konstrukcjami rurowych wymienników ciepła zarówno w energetyce jądrowej, jak i ciepłownictwie. Umożliwia to uzyskanie wyższych charakterystyk energii właściwej w konstrukcjach cylindrycznych poprzez zmniejszenie masy elementów konstrukcyjnych.Konstrukcja pierścieniowo-promieniowa. Tabela. 4.1. Niektóre generatory termoelektryczne produkowane w ZSRR Moc cieplna RHS, W KP Moc elektryczna % RTG, W Wyjściowa moc elektryczna Masa Napięcie początkowe produkcji RTG, kg RTG, V Eter- 720 MA 30 4,2 35 1250 1976 IED- 1 2200 80 3,6 24 2500 1976 Gong 315 18 5,7 14 600 1983 IEU1M 2200 120 (180) (3300) 5,4 5 28 2 (3) x 1990 1050 Skróty przyjęte w tabeli 4.1: RIT – paliwo radioizotopowe, RIT EG – radioizotopowy generator termoelektryczny . Tabela 4.2. Generatory termoelektryczne stosowane na satelitach USA Charakterystyka SNAP-9A SNAP-11 IMP COMSAT Space Transit – 4 Surveyor Urządzenie IMP COMSAT Paliwo Pu238 Cm242 Pu238 Sr90 Maksymalna moc elektryczna 25 21-25 25 30 moc, W Sprawność, % 4,8 – 5,2 Waga, kg. 12,3 13,6 9,6 11,4 1-3 Zasoby, miesiące 6 2-6 5-10 lat 5. Baterie słoneczne 46 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Przekształcanie energii słonecznej bezpośrednio w energię elektryczną obiecuje ogromne korzyści, jeśli się ją wykorzysta. Dlatego już w 1958 roku ZSRR i USA opracowały i zainstalowały pierwsze panele słoneczne na pokładzie statku kosmicznego. Bateria słoneczna to zestaw konwerterów światła na prąd elektryczny (LEC) oraz elementów konstrukcyjnych - paneli zapewniających wytrzymałość mechaniczną, niezmienność geometryczną i ich przymocowanie do konstrukcji statku kosmicznego. W krótkim czasie teoria fotokonwerterów (PC) szybko się rozwinęła, opracowano nowe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne. Tym samym wydajność ogniw słonecznych wzrosła z 7% w przypadku pierwszych ogniw słonecznych do 42% w instalacjach eksperymentalnych. Rozmiar ogniw słonecznych wzrósł z 10*20 mm do 150*150 mm w nowoczesnych akumulatorach, co pozwala na zmniejszenie masy ze względu na połączenia przełączające i zmniejszenie powierzchni akumulatora. Żywotność została zwiększona dzięki zastosowaniu elastycznego połączenia FEP, które zmniejsza naprężenia mechaniczne w przetwornikach podczas przejścia ze strony oświetlonej do cienia i z powrotem. Do głównych zalet paneli słonecznych zalicza się: energia pierwotna do wytwarzania energii elektrycznej zlokalizowana jest w przestrzeni kosmicznej. Wady: 1. krótka żywotność (wraz ze światłem słonecznym mikrocząsteczki lecące ze Słońca opadają na FEP); 2. zwrotność statku kosmicznego ulega znacznemu pogorszeniu nie tylko ze względu na znaczny wzrost momentu bezwładności statku kosmicznego, ale także ze względu na zmniejszenie maksymalnych prędkości kątowych i przyspieszeń wyznaczanych wytrzymałością paneli słonecznych; 3. trudność w umieszczeniu paneli pod owiewką; 4. wysoki koszt energii elektrycznej ze względu na zastosowanie dużej masy krzemu monokrystalicznego (koszt 1 kWh energii elektrycznej sięga 40 dolarów); 5. stosunkowo niska sprawność (ok. 15%); 6. Racjonalne jest używanie ich wyłącznie na orbitach okołoziemskich oraz podczas lotów na Marsa i Wenus. 5.1. Przetworniki fotoelektryczne Promieniowanie słoneczne jako podstawowe źródło energii posiada szereg specyficznych cech, które należy wziąć pod uwagę przy ustalaniu racjonalnych sposobów i metod wykorzystania tego źródła. Można zidentyfikować kilka cech Słońca jako źródła energii w przestrzeni, w której przebiega tor lotu statku kosmicznego. Charakterystyka energetyczna to zależność gęstości strumienia promieniowania słonecznego od długości fali i odległości od Słońca na powierzchni prostopadłej do strumienia światła. Słońce ma ciągłe widmo promieniowania. Rozkład energii w widmie Słońca jest bardzo nierówny, a rzeczywista krzywa gęstości widmowej ma dość złożoną postać, ale rozkład energii w widmie Słońca jest dość zbliżony do widma ciała doskonale czarnego w temperaturze 58 000 K (ryc. 5.1) .). Większość energii słonecznej przypada na krótką część widma – niebieską i ultrafioletową. Długa część widma, mająca niską energię, nie jest w stanie wytworzyć prądu, ale prowadzi do nagrzania paneli słonecznych, dlatego próbują się jej pozbyć. Pierwsze baterie słoneczne miały niebieską powłokę ochronną (nie przepuszczającą czerwonej i podczerwonej części widma), obecnie fotokonwertery są przezroczyste dla tej części widma. 2500 Energia właściwa 2000 1500 1000 500 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Długość fali, µm Rys. 5.1 Charakterystyka widmowa promieniowania słonecznego 48 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Ze względu na skończone i dość duże rozmiary Słońca, promienie słoneczne nie są równoległe i mają pewien parametr kątowy. Parametr ten jest szczególnie istotny w przypadku koncentracji energii słonecznej. Tabela. Charakterystyka energetyczna i geometryczna promieniowania słonecznego Parametr Energia rtęci E, 9250 W/m2 Kąt, ψ, 81 sekund łukowych. Wenus Ziemia Mars Jowisz Saturn 2730 1373 610 52 15,4 44 32 21 7 4 Z tabeli wynika, że racjonalne jest wykorzystanie promieniowania słonecznego w zasięgu Wenus-Mars. Główne użyteczne rodzaje energii wykorzystywanej na pokładzie to energia elektryczna, mechaniczna, cieplna i świetlna. Różnorodne urządzenia pokładowe zużywają głównie energię elektryczną. Należy zauważyć, że promieniowanie słoneczne jest jedynym pierwotnym źródłem, którego energię można bezpośrednio przekształcić we wszystkie użyteczne rodzaje energii (ryc. 5.2). 49 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Światło słoneczne Fotokonwertery Energia elektryczna Słoneczne źródła ciepła Żagiel słoneczny Przetworniki bezpośrednie. konwersja maszyny cieplnej. Ryż. 5.2. space Koncentratory Światło Energia mechaniczna. Schemat głównych sposobów przetwarzania energii słonecznej. Jako konwertery światła na prąd elektryczny, najczęściej stosuje się przetwornice oparte na złączach pn, wykonanych z krzemu i rzadziej z arsenku galu. Konwerter fotoelektryczny (PVC) to płaska płyta o wymiarach od 20*10 mm do 180*180 mm. Ogniwo fotowoltaiczne opiera się na złączu pn utworzonym z odpowiednich płytek półprzewodnikowych (rys. 5.3, poz. 3 i 4). FEP pokryty jest od góry powłoką ochronną. 1. Powłoka ochronna spełnia kilka funkcji: a) chroni złącze przed wprowadzeniem zanieczyszczeń do półprzewodników (strumienie mikrocząstek poruszają się wraz z przepływem światła słonecznego); b) powierzchnia powłoki ochronnej musi mieć niski współczynnik odbicia, aby energia promieni słonecznych została wykorzystana w jak największym stopniu; c) do niedawna powłoka ochronna była niebieska, aby chronić przed czerwoną częścią widma. Obecnie powłoka ochronna jest przezroczysta dla czerwonej części widma. Odbierak prądu 2 (rys. 5.3.) powinien z jednej strony być umieszczony na całej powierzchni, aby zmniejszyć rezystancję przejścia. 50 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Kniga-Service jest inna – jej obszar powinien w jak najmniejszym stopniu obejmować półprzewodnik. W praktyce kolektor prądu 2 wykonany jest w postaci metalowych pasków, zajmujących około 11% powierzchni ogniwa słonecznego (11% ogniw słonecznych nie jest oświetlanych przez Słońce i nie wytwarza prądu). Samo ogniwo słoneczne najczęściej zbudowane jest z dwóch półprzewodników typu n i p, przy czym półprzewodnik n jest cieńszy (rys. 5.3, poz. 3), tak aby światło przechodziło przez nie bez wydawania energii, a w drugiej grubej warstwie (rys. 5.3, poz. 3). Rys. 30, poz. 4) oddała energię uwalniając nośnik. Grubość warstwy p powinna być większa niż swobodna droga fotonu światła (około 0,5 mm). Obecnie dolny kolektor prądu 5 jest wykonany w formie lustrzanej, a grubość p-półprzewodnika jest zmniejszona o połowę. Dolny kolektor prądu 5 do paneli słonecznych nisko latających satelitów jest solidny i lustrzany po obu stronach. Okazało się, że światło i ciepło odbite od powierzchni ziemi nagrzewają ogniwo słoneczne i zmniejszają jego energię o 20%. W najnowszych rozwiązaniach ogniw słonecznych stosuje się trzy warstwy półprzewodników, wykorzystuje się energię odbitą od Ziemi, wydajność ogniw słonecznych wzrasta odpowiednio o 20%. Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego polega na tym, że foton światła przechodząc przez cienki n-półprzewodnik oddaje swoją energię w grubej warstwie p, tworząc parę elektron-dziura, która przemieszcza się do odpowiedniego obszaru . 51 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Obsługi Książek 1 2 3 4 5 Ryc. 5.3 Budowa przetwornika fotoelektrycznego 1 - powłoka ochronna, 2 - kolektor prądu, 3 - n-półprzewodnik, 4 - p-półprzewodnik, 5 - kolektor prądu i zwierciadło metalowe. Semf krzemowego ogniwa słonecznego na poziomie orbity Ziemi (strumień światła jest prostopadły do płytki ogniwa słonecznego) wynosi około 0,6 V. Charakterystyka prądowo-napięciowa idealnego ogniwa słonecznego jest kombinacją charakterystyk źródła napięcia (wartość napięcia nie zależy od prądu obciążenia) i źródło prądu (wartość prądu nie zależy od rezystancji obciążenia) (rys. 5.4. krzywa 1). Spadek napięcia wraz ze wzrostem prądu obciążenia wynika z obecności rezystancji kolektorów prądu i samego półprzewodnika. W przypadku zwarcia ogniwa słonecznego prąd jest ograniczony, ponieważ jego wartość zależy od liczby fotonów. Z jednej strony ta cecha ogniwa słonecznego jest dobra, ponieważ nie można go uszkodzić nawet w przypadku zwarcia. Z drugiej strony czasami konieczne jest nieznaczne zwiększenie prądu, ale ogniwo słoneczne nie jest w stanie tego zrobić i wytwarza napięcie zerowe, czyli wyłącza obciążenie. Moduły fotowoltaiczne z powłoką ochronną z teksturowanego szkła hartowanego na bazie fotoelektrycznego krzemu monokrystalicznego konwersja światła - 15-20%. Elementy napięciowe, V mają wysoką sprawność 1 0,6 2 0,4 0,2 0 0 0,01 0,02 Gęstość prądu 0,03 A/cm2 Rys.5.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa krzemowego ogniwa słonecznego: 1 - idealne ogniwo słoneczne, 2 - rzeczywiste ogniwo słoneczne. Sprawność paneli słonecznych osiągnęła rekordową wartość 42,8 proc. Poprzedni rekord wynosił 40,7 proc., ale w obszarze, gdzie wzrost na poziomie 0,2 proc. jest normą, a jeden procent to przełom, jest to bardzo znaczący krok. Aby osiągnąć ten wynik, potrzebne były połączone wysiłki wielu laboratoriów, ośrodków badawczych i przedsiębiorstw komercyjnych. Ostatecznym celem jest stworzenie taniego, przenośnego panelu słonecznego. Naukowcy otrzymali zadanie podniesienia wydajności do 50 procent. Obecnie rozpoczyna się kolejny etap projektu: przejście od badań laboratoryjnych do stworzenia działającego prototypu. Oczekuje się, że zajmie to trzy lata i pochłonie około stu milionów dolarów. 53 Copyright OJSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Główne straty energii w bateriach słonecznych związane są z odbiciem części promieniowania słonecznego od powierzchni, przejściem części promieniowania przez konwerter bez absorpcji, wewnętrznym rezystancja konwertera i inne procesy fizyczne. W baterii krzemowej stworzonej przez Uniwersytet w Delaware, w celu ograniczenia strat, światło słoneczne rozdzielane jest przez specjalny układ optyczny na trzy obszary o różnym poziomie energii i kierowane do trzech ogniw o różnej czułości: wysokiej, średniej i niskiej. 5.2. Baterie słoneczne Baterie słoneczne statków kosmicznych to złożone urządzenia elektromechaniczne, które zapewniają połączenie elektryczne ogniw słonecznych, ich umieszczenie na jednej podstawie nośnej, wytrzymałość i stabilność całej konstrukcji podczas wibracji i manewrów, umieszczenie pod owiewką, możliwość rozmieszczenia, instalacja i orientacja w przestrzeni. Baterie słoneczne (SB) mogą być orientowane lub nieorientowane. Orientację SB można przeprowadzić wzdłuż jednej lub dwóch współrzędnych. Nieorientowane SB są sztywno przymocowane do korpusu statku kosmicznego lub stanowią jego integralną część. W zależności od właściwości mechanicznych podłoża nośnego, czyli podłoża, SB dzieli się na konstrukcje o sztywnych, półsztywnych i elastycznych powierzchniach nośnych. Sztywna konstrukcja nośna SB wykonana w formie skrzydła, na którą nałożone są FEP, charakteryzuje się wysokimi częstotliwościami rezonansowymi i małymi ugięciami paneli. Moc właściwa takich paneli słonecznych wynosi 20-40 W/kg konstrukcji. Elastyczne panele słoneczne mają podłoże o zerowej sztywności zginania, są rozkładane i utrzymywane w miejscu za pomocą składanych masztów, belek lub pantografów. Konstrukcja SB z elastyczną powierzchnią nośną może być dwojakiego rodzaju: walcowana lub walcowana, składana lub pakowana. Moc właściwa – 40-80 W/kg. Główny udział w masie ogniw słonecznych pochodzi z ogniw słonecznych. Dlatego pilnym zadaniem jest zmniejszenie ich grubości i zwiększenie wydajności. Najbardziej obiecujące pod tym względem są ultracienkie ogniwa słoneczne (do 50 μm) i zastosowanie ogniw słonecznych o dużych rozmiarach. Oczekuje się, że gęstość mocy wzrośnie do 200 W/kg. 54 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Aby uzyskać wymagane napięcie i prąd, ogniwa fotowoltaiczne należy łączyć szeregowo i równolegle. Stary typ ogniw słonecznych łączył w sobie nawet kilkaset tysięcy elementów. Skutkowało to dużym ciężarem przewodów łączących, ale gdy uległo awarii nawet 80% ogniw słonecznych, akumulator nadal działał. Obecnie stosowane ogniwa fotowoltaiczne charakteryzują się dużymi rozmiarami i wytwarzają prąd o natężeniu do 6A na element. Aby uzyskać napięcie 27 V i prąd 200 A, należy połączyć szeregowo 54-55 elementów i 34 gałęzie równolegle. Zatem bateria słoneczna zawiera tylko 1870 ogniw. Łącząc elektrycznie ogniwa PV pojawia się dylemat: wykonać wszystkie połączenia (zarówno szeregowe, jak i równoległe) - otrzymamy dużą niezawodność SB, ale dużą masę; jeśli połączymy wszystkie 54-55 ogniw PV szeregowo i połączymy te „odgałęzienia” ” równolegle - uzyskujemy minimalną masę, ale także niską niezawodność i krótką żywotność. Drugi problem: podczas korzystania z SB interakcja prądu płynącego przez przewody łączące SB i ziemskiego pola magnetycznego prowadzi do wytworzenia siły i momentu obrotowego, co powoduje obrót statku kosmicznego. Trzeci problem związany jest ze statyczną elektryzacją paneli SB. Stopniowe gromadzenie się ładunku elektryczności statycznej na powierzchni ogniwa słonecznego może spowodować awarię i uszkodzenie ogniwa słonecznego. Aby wyeliminować to zjawisko, do płyt SB przykleja się folie przewodzące (obniżona wydajność). 5.3 Kosmiczne przetwornice fotoelektryczne i baterie słoneczne Rosnące wymagania stawiane systemom pokładowym statków kosmicznych (SC) prowadzą do konieczności tworzenia baterii słonecznych (SB) o wyższych charakterystykach energetycznych i wydajnościowych przy zwiększonej żywotności. Najbardziej obiecującym sposobem rozwiązania tych problemów jest stworzenie SB w oparciu o przetworniki fotoelektryczne z arsenku galu i związków pokrewnych. Słoneczne konwertery fotowoltaiczne (PVC) na bazie arsenku galu zapewniają znaczny wzrost wydajności, mocy właściwej i odporności na promieniowanie kosmicznych paneli słonecznych w porównaniu z akumulatorami na bazie krzemu. Ogniwa fotowoltaiczne oparte na AsGa zapewniają: 55 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Wyższą sprawność, sięgającą do 25% w warunkach przestrzennych w ogniwach PV z jednym złączem pn w GaAs i do 30% w kaskadowych FEP. Poprawa odporności na promieniowanie, zapewniająca wydłużenie żywotności satelity do 15 lat na orbitach geostacjonarnych. Możliwość pracy przy dużym stężeniu promieniowania słonecznego przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności do 30-35%. W ciągu ostatnich dziesięcioleci zgromadzono szerokie doświadczenia krajowe i zagraniczne w zakresie eksploatacji kosmicznych ogniw słonecznych i ogniw słonecznych opartych na GaA i związkach. Wykazano, że ogniwa fotowoltaiczne GaAs zapewniają wzrost wydajności, energii właściwej, odporności na promieniowanie i innych parametrów w porównaniu z krzemowymi ogniwami słonecznymi. Wysoki współczynnik absorpcji promieniowania słonecznego w arsenku galu pozwala zachować wysoką wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu grubości struktury ogniwa słonecznego do poniżej 10 mikronów, co zapewnia zmniejszenie zużycia arsenku galu o ponad rząd wielkości oraz, jak w konsekwencji 2-3-krotne zmniejszenie masy ogniw słonecznych. W takich cienkowarstwowych ogniwach słonecznych o grubości obszaru aktywnego rzędu 5 mikronów, możliwe jest osiągnięcie wysokiej czułości dwustronnej i zwiększenie emisji energii w przestrzeni kosmicznej o 20-25% poprzez wykorzystanie albedo Ziemi. Ogniwa fotowoltaiczne GaAs, wraz ze zwiększoną wydajnością, zapewniają również lepszą odporność na promieniowanie, co w przybliżeniu podwaja żywotność kosmicznych paneli słonecznych. Jak wykazały wieloletnie badania degradacji kosmicznych SB pod wpływem narażenia na promieniowanie, stopień degradacji w istotny sposób zależy od parametrów orbitalnych statku kosmicznego (SC). W przypadku statku kosmicznego znajdującego się na niskiej orbicie (770 km) degradacja SB na bazie krzemu i SB GaAs-GaAlAs wynosi odpowiednio 15% i 5% w ciągu 5 lat pobytu statku kosmicznego na orbicie. W przypadku statków kosmicznych na orbitach geostacjonarnych degradacja wynosi 31% (Si) i 16% (GaAs) w ciągu 15 lat przebywania na orbicie. W przypadku orbit niebezpiecznych dla promieniowania (7400 km przy kącie nachylenia 50°) degradacja utrzymuje się na poziomie 49% (Si) i 22% (GaAs) w ciągu 5 lat przebywania na orbicie. Dlatego zastosowanie akumulatorów na bazie GaAs do zasilania statków kosmicznych zapewnia znaczący efekt ekonomiczny w porównaniu z krzemowymi panelami słonecznymi, pomimo wyższego kosztu takich paneli słonecznych. Niezwykle ważną zaletą ogniw fotowoltaicznych GaAs jest ich zdolność do efektywnej konwersji 100-1000-krotnie skoncentrowanego promieniowania słonecznego. Umożliwia to zmniejszenie zużycia materiałów półprzewodnikowych GaAs proporcjonalnie do stopnia koncentracji, a co za tym idzie, znaczne obniżenie kosztów energii słonecznej. Dodatkowymi zaletami podczas przejścia na koncentrację SB w przestrzeni kosmicznej są: możliwość zorganizowania ochrony fotokonwertera poprzez elementy konstrukcyjne układu koncentrującego przed promieniowaniem jonizującym; możliwość wyboru trybu termicznego ogniwa słonecznego, zapewniającego wyżarzanie termiczne defektów radiacyjnych; poprawa odporności radiacyjnej ogniw słonecznych pracujących przy zwiększonej gęstości fotoprądu w wyniku fotonowego i wtryskowego „wyżarzania” defektów radiacyjnych. W kaskadowych ogniwach fotowoltaicznych znaczny wzrost wydajności można osiągnąć do 25-27% i do wartości rzędu 30-35% przy skoncentrowanym naświetlaniu. W ostatnich latach w Instytucie Fizykotechnicznym A.F. Ioffe powstały ogniwa słoneczne AlGaAs/GaAs, w których dzięki zwiększonej światłoczułości w „fioletowym” obszarze widma osiągnięto wartości sprawności na poziomie 23-25%, blisko do teoretycznej granicy dla ogniwa słonecznego z pojedynczym złączem pn. Dodatek materiałów wąskoszczelinowych na bazie InP/InGaAs i AlGaSb/GaSb do tych ogniw PV umożliwił stworzenie mechanicznie sprzężonych kaskadowych ogniw PV o sprawności do 28%, które charakteryzują się nie tylko wysoką sprawnością, ale także podwyższonym promieniowaniem rezystancji, co umożliwi stworzenie na ich bazie kosmicznych ogniw słonecznych o zwiększonej żywotności. 5.4. Ogniwa słoneczne produkowane przez elektrownię Solar Wind 57 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Usług Księgowo-Usługowych Ryc. 5.5 Wygląd ogniw słonecznych produkowanych przez Elektrownię Solar Wind Elektrownia Solar Wind (Krasnodar) produkuje ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu monokrystalicznego, zarówno typu p, jak i typu n, w oparciu o własną technologię (rys. 5.6), zapewniając elementy o wysokich parametrach i szeroki zakres zastosowań przy stosunkowo niskiej cenie. Elementy mają strukturę: Ryc. 5.6. Struktura FEP 1 - tekstura z powłoką antyrefleksyjną 2 - n+ (p+) - Si, 3 - p (n) - Si, 4 - p+ (n+) - Si, 5 - metal, 6 - światło słoneczne. Wszystkie pierwiastki, zarówno typu n, jak i p, są przezroczyste dla zakresu podczerwieni widma, co prowadzi do mniejszego nagrzewania się pierwiastków na słońcu i odpowiednio do wzrostu ich wydajności (ryc. 5.7). 58 1-światło słoneczne 2-promienie podczerwone Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Usług Księgarni Ryc. 5.7. FEC o strukturze przepuszczającej czerwoną część widma Firma Solar Wind jako jedna z pierwszych na świecie rozpoczęła przemysłową produkcję ogniw słonecznych o dwukierunkowej czułości na krzemie typu p i n. Firma produkuje różne modyfikacje elementów na bazie pseudokwadratu (ryc. 5.5) o wymiarach: 103,5x103,5 mm, 125x125 mm, 156x156 mm, a także ich części. Typowe charakterystyki prądowo-napięciowe: na przykładzie 1 2 Rys. 5.8. Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa fotowoltaicznego 125x125 wykonanego z krzemu o niskiej (poz. 2) i wysokiej (poz. 1) oporności przedstawiono w tabeli Rys. 5.8. Charakterystyka elektryczna ogniw słonecznych: Średnica prądu Moc, Maksymalne napięcie - Maksymalny licznik, Zwarcie, XX, V ost, V mm np. V, A A mm t 59 Copyright OJSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Książka agencyjna -Service" 85x85 100 102,8x102,8 135 103,5x103,5 125 125x125 150 2,1 2,4 3,2 3,6 3,2 3,6 4,6 5,2 0,59 0,61 - 0,59 0,61 - 0,59 0,61 - 0,59 0,61 - 0,49 1,85 - 0,9 2,14 1,05 0,49 2,9 - 1,4 3,3 1,6 - 0,49 2,9 - 1,4 3,3 1,6 - 0,49 4,1 - 2,0 4,7 2,3 - Obecnie produkowane są głównie ogniwa fotowoltaiczne pseudokwadratowe o wymiarach boków od 100 do 175 mm. W sprzedaży dostępne są pojedyncze moduły fotowoltaiczne o mocy szczytowej od 5 do 160 W. Moduły o większej mocy (do 200 W) produkowane są na zamówienie. Wszystkie moduły posiadają przezroczystą szklaną pokrywę i trwałą aluminiową ramę. W bateriach słonecznych z powłoką ochronną ze zwykłego szkła zastosowano ogniwa fotowoltaiczne o sprawności 12% i wyższej (średnio 13-16%). 6. Wtórne źródła energii elektrycznej Źródła wtórne przekształcają napięcie o jednej wartości i częstotliwości w napięcie o innej wartości i częstotliwości. Aby zapewnić działanie różnych urządzeń pokładowych, konieczne jest posiadanie kilku napięć. Najwygodniej jest je uzyskać przy użyciu napięcia przemiennego, dlatego na pokładzie znajduje się przetwornica DC-AC 500 (1000) Hz, 40 V. Istnieją 2 metody konwersji: konwertery dynamiczne i statyczne. Przetwornica dynamiczna to połączenie silnika prądu stałego i generatora prądu przemiennego w jednej maszynie. Regulator napięcia i częstotliwości takiej maszyny jest urządzeniem złożonym i stanowi około połowy masy samego przetwornika. 60 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Wady: 1. nie pracuje w warunkach próżniowych, 2. powoduje duże zakłócenia w pracy sprzętu elektronicznego, 3. powoduje wibracje, 4. wymaga ciągłej konserwacji, 5. duży ciężar lotu, 6. niska wydajność, 7. niewystarczająco wysoka niezawodność. Obecnie dla statków kosmicznych stworzono niezawodne statyczne tranzystorowe przetwornice DC-AC (inwertery) o mocy kilku kilowatów, które pod względem podstawowych parametrów przewyższają elektryczne przetwornice maszynowe. Sprawność konwerterów tranzystorowych może osiągnąć 60-70%. W porównaniu do przekształtników maszyn elektrycznych, przekształtniki statyczne mają następujące zalety: czas osiągnięcia trybu pracy jest 5-10 razy krótszy i wynosi ułamek sekundy; prądy rozruchowe są kilkakrotnie niższe; lepsza jakość procesów przejściowych; podczas pracy przetwornicy nie powstają żadne dźwięki akustyczne; długa żywotność, niewielka waga i wymiary. Podlegają one rygorystycznym wymaganiom: niestabilność częstotliwości nie jest większa niż 10-4, odchylenie amplitudy napięcia nie przekracza ±5%, kształt napięcia przemiennego nie może różnić się od napięcia harmonicznych nie więcej niż o kilka%. tranzystorów krzemowych umożliwia tworzenie przetwornic pracujących w temperaturach dochodzących do 80-1000С. Urządzenia półprzewodnikowe pracują w przetwornikach w trybie przełączania. Tryb ten umożliwia sterowanie dość dużym obciążeniem mocy przy użyciu urządzeń o stosunkowo małej mocy. Istnieje możliwość dalszej poprawy charakterystyki wyjściowej przetworników statycznych poprzez zastosowanie dodatkowych filtrów, zwiększenie liczby stopni przetwarzających itp. 61 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Niezawodność przetworników półprzewodnikowych zwiększa się poprzez powielanie i redundantnych elementów, co ma praktycznie niewielki wpływ na wzrost ich gabarytów i masy w porównaniu do elektrycznych przekształtników maszynowych. Charakterystyki techniczne przetwornicy podano w tabeli 1. Urządzenie przeznaczone jest do zasilania urządzeń specjalnych prądem przemiennym o stabilizowanej częstotliwości 500 Hz i stabilizowanym napięciu 40 V. Tablica 1 nr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Napięcie zasilania, V 27+4 -3 Napięcie częstotliwości wyjściowej, Hz Napięcie wyjściowe, V: jednofazowe, trójfazowe Nieliniowy współczynnik zniekształceń, % dla wyjścia jednofazowego dla wyjścia trójfazowego Moce wyjściowe, VA: wyjście jednofazowe moc wyjściowa trójfazowa Współczynnik mocy obciążeń: jednofazowy (indukcyjny) trójfazowy (indukcyjny lub pojemnościowy) Sprawność nie mniejsza niż Masa, kg, nie większa Żywotność, godz. 6.1. Schemat blokowy konwertera 62 Wartość liczbowa Nazwa parametru 500 40+1,2 –1,2 40+2 -2 5 10 0…65 0…115 0,7 0,8…1 0,62 12,5 1000 Copyright OJSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agency Book -Service” Zasada konstrukcja przetwornicy statycznej opiera się na podziale funkcji pomiędzy poszczególne elementy. Na ryc. 6.1. Pokazano schemat funkcjonalny przetwornicy statycznej. Składa się z następujących bloków: 1 - kwarcowy oscylator główny; 2 - przedwzmacniacz; 3 - rozdzielacz faz; 4 - przedwzmacniacz; 5 - trójfazowy wzmacniacz mocy; 6 - trójfazowy filtr napięcia wyjściowego; 7 - przekaźnik; 8 - trójfazowy regulator napięcia wyjściowego; 9 - obwód opóźnienia; 10 - jednofazowy wzmacniacz mocy napięciowej; 11 - jednofazowy filtr napięcia wyjściowego; 12 - sumator diodowy; 13 - jednofazowy regulator napięcia wyjściowego; 14 – wyjście trójfazowe; 15 – wyjście jednofazowe. Kwarcowy oscylator główny 1 (ryc. 6.1.) przeznaczony jest do generowania napięcia przemiennego o stabilnej częstotliwości. Obejmuje (patrz schemat blokowy rys. 6.2) wzbudnicę kwarcową 1, bufor-formator 1 2 7 3 4 5 6 14 8 15 9 10 11 63 12 13 Copyright JSC Central Design Bureau BIBKOM & LLC Biuro Agencji Książek” Ryc.6.1. Schemat blokowy przetwornicy statycznej 2, bloków dzielników częstotliwości 3 i wzmacniacza wyjściowego 4. Wzbudnica kwarcowa 1 (KZG) zapewnia określoną stabilność napięcia wyjściowego głównego oscylatora kwarcowego pod względem częstotliwości. Na wyjściu wzbudnicy kwarcowej generowane są impulsy o dowolnym kształcie z częstotliwością powtarzania 24 kHz, które podawane są na wejście stopnia buforowego. Stopień buforowy 2 (rys. 6.2) oddziela wzbudnicę kwarcową od dzielnika częstotliwości i generuje impulsy o stromej krawędzi natarcia w celu wyzwolenia dzielników częstotliwości. Blok dzielnika częstotliwości 3 składa się z czterech wyzwalających dzielników częstotliwości o całkowitym współczynniku podziału 16. Z wyjścia bloku dzielnika częstotliwości prostokątne 2 1 24 kHz 3 24 kHz 4 1,5 kHz 1,5 kHz Rys. 6.2. Schemat blokowy głównego oscylatora kwarcowego. 1 - wzbudnica kwarcowa, 2 - stopień buforowy, 3 - blok dzielnika częstotliwości, 4 - wzmacniacz wyjściowy. impulsy o częstotliwości powtarzania 1,5 kHz podawane są na wejście wzmacniacza wyjściowego 4, gdzie są wzmacniane i podawane na wejście rozdzielacza fazy 3 (rys. 6.1.). Przedwzmacniacz 2 (patrz rys. 6.1) służy do wzmocnienia napięcia wyjściowego kwarcowego oscylatora głównego i eliminuje reakcję wejścia rozdzielacza fazy na wyjście KZG. Przedwzmacniacz pracuje w trybie kluczykowym. Rozdzielacz faz 3 (rys. 6.1) przeznaczony jest do wytwarzania trzech prostokątnych napięć o częstotliwości 500 Hz, przesuniętych w fazie o 120 stopni. Stabilność częstotliwości rozdzielacza faz zapewnia synchronizacja z kwarcowym oscylatorem głównym. Przedwzmacniacz 4 (rys. 6.1.) ma za zadanie wzmacniać sygnał rozdzielacza fazy pod względem mocy i eliminować wpływ zmian obciążenia urządzenia na dokładność kąta przesunięcia fazowego i stabilność synchronizacji rozdzielacza fazy. Jest to dzielnik przez 3. Wzmacniacze mocy 5, 10 przeznaczone są do wzmacniania mocy napięć jednofazowych i trójfazowych. Trójfazowy wzmacniacz mocy składa się z trzech wzmacniaczy tranzystorowych, wykonanych w układzie przeciwsobnym z wyjściem transformatorowym. Tranzystory pracują w trybie przełączania, uzwojenia wyjściowe transformatorów są połączone w obwód trójkąta. Tranzystory wzmacniacza mocy są wyzwalane impulsami prostokątnymi. Wyjściowe filtry napięcia jednofazowego 11 i trójfazowego 6 przekształcają napięcia prostokątne wzmacniaczy mocy na napięcia sinusoidalne. Składają się z dławików i kondensatorów tworzących szeregowy obwód oscylacyjny. Obwód ten jest dostrojony do rezonansu przy podstawowej harmonicznej. Jednofazowe 13 i trójfazowe regulatory napięcia 8 służą do stabilizacji jednofazowych i trójfazowych napięć wyjściowych poprzez wpływ na napięcia zasilania jednofazowych i trójfazowych wzmacniaczy mocy. Wykonane są według obwodu mostkowego. Tworząc taki konwerter, wszystkie te wymagania są podzielone na różne elementy. Źródłem oscylacji jest oscylator kwarcowy, który wytwarza oscylacje o dowolnym kształcie, ale ze stabilną częstotliwością 24 kHz. Niestabilność wynosi 10-4...10-6%. Ponieważ nie jest możliwe wytworzenie kwarcu przy częstotliwości 500 Hz i w celu zmniejszenia masy, oscylator kwarcowy generuje częstotliwość 24 kHz. Następnie częstotliwość ta jest dzielona przez 16 razy. 65 Copyright OJSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Z wyjścia dzielnika otrzymujemy napięcie prostokątne o częstotliwości 1500 Hz. Stosując rozdzielacz faz, napięcie dzielimy 3 razy i przesuwamy o 120°, otrzymujemy trójfazowe napięcie prostokątne. Trzy przedwzmacniacze doprowadzają to napięcie do pożądanej wartości potrzebnej do wysterowania wzmacniaczy mocy. Niezbędną moc wyjściową zapewniają trzy wzmacniacze mocy, a po filtrach uzyskujemy napięcie sinusoidalne. Miernik napięcia określa odchylenie napięcia od wartości zadanej i steruje regulatorem napięcia. Jeżeli zmierzone napięcie przekroczy zadaną wartość, system sterowania i alarmowania (SCIS) wyłączy tę przetwornicę i załączy rezerwową. Ponadto sygnał z oscylatora kwarcowego wchodzi do SCI. Ogólnie rzecz biorąc, konwerter statyczny wykorzystuje 2 oscylatory kwarcowe. Jeśli jeden z nich zawiedzie, SKIS włącza drugi. Wszystkie procesy w tym przetworniku zachodzą przy napięciach prostokątnych, czyli tranzystory pracują w trybie przełączania i mają dwa stany - włączony i wyłączony. Tryb ten charakteryzuje się tym, że moc wydzielana przez tranzystory jest niewielka. Prowadzi to do zwiększenia wydajności, mniejszych radiatorów i zmniejszenia masy całego konwertera. Ponadto filtrując napięcie o fali prostokątnej, można uzyskać napięcie harmoniczne przy znacznie mniejszych zniekształceniach. 6.2. Metody zwiększania niezawodności przetwornicy Z reguły przetwornica jest źródłem zasilania ważnych układów i od jej niezawodności zależy istnienie statku kosmicznego. Zwiększenie niezawodności konwertera statystycznego jest jednym z podstawowych zadań przy jego projektowaniu. Istnieją 3 sposoby na zwiększenie niezawodności: 1. redundancja całego produktu, 2. redundancja poszczególnych bloków, 3. redundancja tylko zawodnych elementów (tranzystorów). 66 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Kniga-Service Z reguły na płycie instalowane są dwa konwertery: główny i zapasowy. Przełączanie między nimi odbywa się automatycznie za pomocą SKIS. Zastosowanie jednostek zapasowych w ramach jednego urządzenia może znacznie zwiększyć jego niezawodność. Jednak taka redundancja wiąże się z trudnością w identyfikacji uszkodzonej jednostki, wyłączeniu wadliwej i włączeniu rezerwowej, ponieważ same elementy przełączające mogą być mniej niezawodne. W rozważanym konwerterze zarezerwowany jest jedynie oscylator kwarcowy. Redundancja zawodnych elementów jest najbardziej powszechna i racjonalna, ponieważ masa urządzenia wzrasta o niewielką wartość, a prawdopodobieństwo awarii znacznie maleje. 7. Systemy dystrybucji energii elektrycznej System dystrybucji energii elektrycznej obejmuje: przewody elektryczne, sprzęt instalacyjno-instalacyjny, urządzenia rozdzielcze, aparaturę łączeniową, urządzenia zabezpieczające przed zakłóceniami i elektrycznością statyczną, urządzenia do monitorowania pracy źródeł i odbiorców. Ze względu na przeznaczenie i liczbę elementów wchodzących, system dystrybucji energii elektrycznej jest najważniejszym elementem wyposażenia elektrycznego statku kosmicznego i w dużej mierze determinuje jego parametry techniczne i eksploatacyjne. Znaczenie i złożoność funkcji realizowanych przez system dystrybucji energii elektrycznej, a także specyfika warunków jego pracy stawiają przed tym systemem wysokie wymagania, których spełnienie musi gwarantować niezawodność i pewność dostaw energii elektrycznej do odbiorców statków kosmicznych . Istnieją 3 rodzaje systemów dystrybucji: scentralizowany, zdecentralizowany i połączony. Scentralizowany system zasilania statku kosmicznego charakteryzuje się tym, że wszystkie źródła są podłączone do jednego urządzenia dystrybucyjnego (ryc. 7.1), zwanego centralną jednostką dystrybucyjną (CDU). Na ryc. 7.1 dwa źródła energii elektrycznej I1 i I2 poprzez bezpieczniki F1 i F2 za pomocą przełączników B1 i B2 podłącza się do rozdzielnicy centralnej. Wszyscy konsumenci Pi otrzymują energię od CIA. Zaletą takiego systemu jest to, że zasilanie jest możliwe pod warunkiem, że działa co najmniej jedno źródło energii elektrycznej. Scentralizowana dystrybucja ma znacznie więcej wad. 1. Niska jakość energii elektrycznej, wynikająca z ciągłego włączania i wyłączania odbiorców. Stąd skoki napięcia. 2. Ciężka sieć elektryczna, ponieważ konieczne jest pociągnięcie przewodów ze wszystkich źródeł do CIA, a następnie z CIA do wszystkich konsumentów. 3. Jeśli CIA zawiedzie, wszyscy konsumenci zostaną pozbawieni prądu. CIA F1 B1 I1 F2 P1 B2 I2 P2 Rys. 7.1. Scentralizowany system zasilania W przypadku zdecentralizowanej energii elektrycznej w idealnym przypadku zakłada się, że RU1 ma źródło I1 F1 B1 I2 B2 i że każdy odbiorca ma własną dystrybucję energii elektrycznej. do RU2 68 k po t r F2 Rys.7.2. Zdecentralizowany system zasilania statku kosmicznego Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency W rzeczywistości w zdecentralizowanym systemie dystrybucyjnym jedno źródło obsługuje własną grupę odbiorców (ryc. 7.2) za pośrednictwem własnych urządzeń dystrybucyjnych. Zaletami takiego systemu są nieco lepsza jakość energii elektrycznej (mniej odbiorców, mniejsze skoki napięcia) oraz mniejsza masa sieci (źródło i odbiorcy znajdują się w pobliżu). System ten ma jedną wadę, ale jest ona bardziej znacząca - w przypadku awarii źródła wszyscy odbiorcy w swojej grupie pozostają bez prądu. Układ taki stosowany jest głównie w eksperymentach towarzyszących, gdy ta grupa instrumentów zasilana jest z osobnego źródła, niepodłączonego do ogólnej sieci statku kosmicznego. Rozważane systemy dystrybucji są ograniczające. W praktyce takie systemy nigdy nie są stosowane. Prawdziwe systemy są zwykle pośrednie. Połączony rozdział mocy F1 B1 RU 1 P1 I1 B4 B5 V3 P3 F2 I2 P2 V2 RU 2 P4 Rys. 7.3. Skojarzony system dystrybucji energii elektrycznej 69 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Rozważmy kombinowany system dystrybucji energii elektrycznej (rys. 7.3.) oparty na dwóch źródłach. Każde źródło energii elektrycznej ma w swoim obwodzie urządzenie zabezpieczające, urządzenie przełączające i urządzenie rozdzielcze (na przykład dla źródła I1, zabezpieczenie F1 i rozdzielnicę RU1). Najczęściej jako urządzenie dystrybucyjne wykorzystywany jest zwykły autobus. Każdy autobus ma własną grupę odbiorców podłączonych do sieci. Podczas normalnej pracy system dystrybucyjny może pracować w trybie zdecentralizowanym (włączone B1 i B2) oraz scentralizowanym (włączone dodatkowo B3). Ten ostatni tryb ma miejsce np. wtedy, gdy odbiorca podłączony do rozdzielnicy nie ma wystarczającej ilości prądu ze źródła I1. Przełączniki B4 i B5 wymagane są w sytuacjach awaryjnych. W przypadku awarii jednego ze źródeł następuje jego wyłączenie, a rozdzielnia otrzymuje prąd z jednego źródła. Na przykład, jeśli źródło I1 ulegnie awarii, B1 i B4 zostaną wyłączone, a RU1 może otrzymać zasilanie przez B3 lub B5. W przypadku awarii rozdzielnicy, rozdzielnica ta zostaje wyłączona i oba źródła pracują dla drugiego urządzenia. Na przykład awaria RU2. B2, B3 i B4 są wyłączone, B1 i B5 są włączone. W ten sposób połączony system dystrybucji zapewnia pełną redundancję zarówno źródeł, jak i rozdzielni. Jak postępować z odbiorcami podłączonymi do uszkodzonej rozdzielnicy? Konsumenci podzieleni są na cztery grupy (rysunek 7.3 nie przedstawia ochrony konsumentów i sprzętu przełączającego). Odbiorcy grupy P1 nie wpływają na kontynuację lotu i służą np. zapewnieniu komfortu członkom załogi (oświetlenie, ogrzewanie itp.). Są one dystrybuowane pomiędzy centrami dystrybucyjnymi i połączone z nami jedną linią. Odbiorcy grupy P2 mogą łączyć się z jedną lub drugą rozdzielnicą. Odbiorcy grupy P3 są stale podłączeni do obu rozdzielnic, przewody z każdej rozdzielnicy trafiają do konsumenta różnymi kablami i z reguły wzdłuż różnych stron statku kosmicznego. Ponadto ci odbiorcy są bezpośrednio podłączeni do jakiegoś źródła. 70 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Konsumenci z grupy P4, oprócz wskazanych dla grupy P3, posiadają własne, „superawaryjne” źródło. Są to głównie materiały pirotechniczne. Przykładowo nie ma możliwości opuszczenia pojazdu zjazdowego bez oddzielenia go od przedziału oprzyrządowania. Dzięki temu system charakteryzuje się dużą niezawodnością i elastycznością działania. W rzeczywistości na pokładzie statku kosmicznego znajduje się kilka takich systemów (układ prądu stałego pierwotnych źródeł zasilania, układ prądu przemiennego, układ źródła buforowego), różniących się liczbą odbiorców, stopniem ich znaczenia dla niezawodności statku kosmicznego itp. 8 Sieć elektryczna Sieci elektryczne mają szereg specyficznych wymagań. 1) Zapewnienie niezawodnego i nieprzerwanego zasilania odbiorców w każdych warunkach pracy. Problem ten rozwiązuje się poprzez wspólne budowanie konfiguracji sieci, systemów dystrybucji i zabezpieczeń. 2) Zapewnienie odbiorcom wysokiej jakości energii elektrycznej. Wynika to z faktu, że dla wielu odbiorców krytyczna jest wielkość napięcia (zwłaszcza redukcja) lub częstotliwość. 3) Zapewnienie ochrony sprzętu przed zakłóceniami wynikającymi z pracy urządzeń elektrycznych i elektrycznością statyczną. Propagacja zakłóceń jest możliwa na dwa sposoby. Bezpośrednio ze źródła zakłóceń rozprzestrzenia się wzdłuż przewodów sieciowych. Aby zabezpieczyć się przed tego typu zakłóceniami, w sieci instalowane są filtry ograniczające rozprzestrzenianie się zakłóceń w całej sieci. Drugim sposobem występowania zakłóceń są pola magnetyczne i elektryczne istniejące wewnątrz statku kosmicznego. Z elektrycznego punktu widzenia przewody sieciowe mają pojemność i indukcyjność, więc pola indukują w nich zakłócające pole elektromagnetyczne (w niektórych przypadkach wielkość impulsów zakłócających może osiągać duże wartości). Szczególną uwagę należy zwrócić na statyczną elektryczność atmosferyczną. Biorąc pod uwagę dużą prędkość statku kosmicznego i pomimo małej liczby ładunków, potencjał na częściach korpusu statku kosmicznego może osiągać duże wartości. Dlatego części projektu statku kosmicznego muszą być połączone elektrycznie nie tylko poprzez kontakt, ale za pomocą specjalnych metalizowanych opon. Atmosfera ziemska ma swój potencjał, który zmienia się wraz z wysokością. Należy to wziąć pod uwagę podczas manewrowania statkiem kosmicznym. Rodzaj sieci elektrycznej zależy od rodzaju statku powietrznego, jego przeznaczenia i specyficznych wymagań dotyczących systemu zasilania. Sieć elektryczna jest klasyfikowana według jej przeznaczenia, głównych parametrów elektrycznych systemu zasilania, rodzaju prądu, napięcia, częstotliwości, konfiguracji sieci itp. Zgodnie z przeznaczeniem sieci dzielą się na zasilające (główne) i dystrybucyjne (wtórne) dystrybucja). Część zasilająca to część sieci elektrycznej od źródła energii do urządzenia dystrybucyjnego, a także odcinki pomiędzy urządzeniami dystrybucyjnymi. Sieć dystrybucyjna służy do przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej z rozdzielnicy do odbiorców. Sekcja sieci dystrybucyjnej, która zasila grupę odbiorców z rozdzielnicy poprzez wspólne urządzenie zabezpieczające, nazywa się zasilaczem. Według głównych parametrów elektrycznych sieci dzielą się na sieci prądu stałego (27 V), sieci trójfazowe (40 V, 500 lub 1000 Hz) i sieci jednofazowe prądu przemiennego (40 V, 500 Hz). Sieci DC są z reguły stosowane w systemach podstawowych. Zgodnie z systemem przesyłu energii sieci dzielą się na dwuprzewodowe nieuziemione, dwuprzewodowe uziemione i jednoprzewodowe sieci dla prądu przemiennego stałego i jednofazowego oraz sieci trój- i czteroprzewodowe dla obwodów trójfazowych. Dwuprzewodowa sieć nieuziemiona (ryc. 8.1, poz. 1) ma ważną zaletę - gdy jeden z przewodów zostanie zwarty do korpusu, sieć nadal działa, ale sieć jest ciężka (dwa przewody - bezpośrednie „plus” ” i odwrócić „minus”). Zazwyczaj jako bufor w sieci stosuje się akumulator o małej rezystancji wewnętrznej, dzięki czemu poziom zakłóceń w sieci (pomiędzy przewodami) jest niski. Główne zakłócenia występują pomiędzy siecią a obudową, ich poziom jest dość wysoki. Urządzenia przełączające i ochronne podłącza się do jednego przewodu dodatniego. Dwuprzewodowa sieć z uziemieniem jest podłączona w jednym punkcie do korpusu statku kosmicznego. Jest też ciężki, ale poziom zakłóceń jest znacznie niższy. Istotną wadą tej sieci jest to, że w przypadku zwarcia przewodu dodatniego z korpusem sieć odłącza zasilanie odbiornika. 72 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency W sieci jednoprzewodowej (ryc. 8.1, poz. 3) korpus statku kosmicznego służy jako przewód powrotny. W tym przypadku sieć jest prawie dwa razy lżejsza, jakość energii elektrycznej jest wyższa, ponieważ opór elektryczny obudowy jest znacznie mniejszy niż przewód sieciowy. sieć I P I P I P R Rys.8.1. Rodzaje sieci 1 – sieć dwuprzewodowa bez uziemienia; 2 – sieć dwuprzewodowa z uziemieniem; 3 – sieć jednoprzewodowa. Sieć jednoprzewodowa stosowana jest w wielu systemach transportowych i nazywana jest siecią „samolotową”. Technologię rakietową i kosmiczną (RST) charakteryzują procesy odłączania. Podczas powolnego rozsuwania się bloków statków kosmicznych pomiędzy nimi siecią jednoprzewodową zapali się łuk, dlatego do niedawna w RCT nie stosowano sieci jednoprzewodowej. System promu kosmicznego wielokrotnego użytku wykorzystuje sieć jednoprzewodową, co pozwala uzyskać znaczne oszczędności w ciężarze okablowania. Sieć trójprzewodowa z przewodem neutralnym podłączonym do korpusu statku kosmicznego umożliwia podłączenie odbiorców zarówno do napięcia fazowego, jak i liniowego. W zależności od systemu dystrybucji sieci dzieli się na scentralizowane, mieszane, zdecentralizowane i oddzielne. 9. Aparatura łączeniowa Aparatura łączeniowa służy do sterowania źródłami i odbiorcami energii elektrycznej. Dzieli się na sprzęt bezpośredni (ręczny) i zdalny. Urządzenia bezpośredniego działania – przyciski, przełączniki, przełączniki, wyłączniki krańcowe i wyłączniki torowe – przeznaczone są do sterowania obwodami małej mocy na załogowych statkach kosmicznych. Istnieją trzy rodzaje przełączników i przełączników: kołyskowy, wciskany i obrotowy. Służą do zamykania lub otwierania obwodów na długi czas. W zależności od liczby przełączanych obwodów przełączniki i przełączniki mogą być jednoobwodowe, dwuobwodowe lub trójobwodowe. Wyłączniki krańcowe i przełączniki należą do urządzeń typu push, tyle że naciskanie odbywa się nie przez załogę, ale przez specjalne urządzenie o zelektryfikowanym mechanizmie. Wyłączniki krańcowe służą do stałego zatrzymania mechanizmu w przypadku osiągnięcia przez ich urządzenia wyjściowe skrajnych położeń, blokując, sygnalizując i sterując programowo mechanizmami. Wyłączniki krańcowe są często używane do sygnalizowania dokowania statku kosmicznego, oddzielenia wszelkich bloków oraz zamknięcia włazów i drzwi. Do zdalnego sprzętu zalicza się urządzenia elektromagnetyczne (kontaktowe, przekaźnikowe) i elektroniczne (bezdotykowe). Przekaźnik oparty jest na otwartym układzie magnetycznym 1 3 4 (rys. 9.1.), ruchomym tworniku 3, na który działa pole magnetyczne wytwarzane przez prąd cewki 5. Rys. 9.1. Urządzenie przekaźnikowe 1 – przewód magnetyczny 2 – sprężyna powrotna 2 3 – zwora ruchoma 5 4 – grupa styków 5 – uzwojenie 1 obraca się, zamykając styki 4. Po wyłączeniu zasilania uzwojenia 5 sprężyna 2 przywraca zworę do pierwotnego położenia. W technologii kosmicznej, ze względu na specyfikę środowiska statku kosmicznego, oprócz konwencjonalnych przekaźników, stosuje się specjalne. Konwencjonalne przekaźniki stosuje się w kabinach ciśnieniowych, ponieważ w warunkach próżni łuk powstający po otwarciu styków nie może zostać zgaszony. 74 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Do pracy w próżni stosuje się specjalne przekaźniki umieszczone w szklanej kolbie lub przekaźniki wykorzystujące kontaktrony. 1 2 3 4 Rys. 9.2. Urządzenie kontaktronowe: 1-szklany korpus, 2 – styk ruchomy, 3 – magnes, 4 – styk stały. + N 1 2 3 4 Rys. 9.3. Urządzeniem kontaktronu przekaźnikowego spolaryzowanego jest szklana rurka (rys. 9.2.1) wypełniona gazem obojętnym, w której znajdują się grupy styków 2 i 4. Do jednego ze styków przymocowany jest magnes trwały 3. Jeżeli magnes wokół kontaktronu tworzy się pole, następnie styk 2 zamyka się stykiem 3. 75 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Stan włączenia rozważanych przekaźników występuje tylko wtedy, gdy przez uzwojenie przepływa prąd. Jest to nieracjonalne zużycie energii elektrycznej i niepotrzebne wytwarzanie ciepła. Przekaźnik, który utrzymuje jedną z dwóch pozycji bez przepływu prądu przez uzwojenia, nazywa się spolaryzowanym. Przekaźnik spolaryzowany nie ma sprężyny powrotnej, a ruchomą zworą jest magnes trwały (ryc. 9.3, poz. 3). Kiedy do lewego uzwojenia 1 zostanie przyłożone zasilanie, zwora magnetyczna zostanie odrzucona w lewo, a strumień magnetyczny wytworzony przez zworę w układzie magnetycznym 2 utrzymuje zworę w nowym położeniu po odłączeniu zasilania od uzwojenia 1. Siła trzymanie twornika w jednej z pozycji jest takie, że do przerzucenia go w inne położenie wymagane jest przeciążenie powyżej 150g. Przykład elektronicznego urządzenia przełączającego omówiono w rozdziale „Wyposażenie ochronne”. 10. Urządzenia ochronne Zwiększenie niezawodności układu zasilania statku kosmicznego osiąga się poprzez zastosowanie urządzeń ochronnych zapewniających odłączenie (izolację) uszkodzonego elementu. Selektywność zabezpieczenia rozumiana jest jako jego zdolność do wybrania tego wadliwego ze wszystkich elementów systemu i jego odizolowania. Głównym parametrem klasyfikacyjnym ochrony jest parametr elektryczny: prąd, napięcie i moc. Przyczyną wzrostu prądu może być tylko odbiorca, dlatego należy chronić sieć i źródło energii elektrycznej przed wadliwym odbiornikiem. Ochrona źródeł jest nowym wyzwaniem w porównaniu ze źródłami naziemnymi. W locie do jego wykonania pobierana jest określona ilość energii. Jeśli zostanie wydany irracjonalnie (zasilanie wadliwego odbiornika), może nie wystarczyć do wykonania zadań lotniczych. Ochrona napięcia musi być podwójna. Nadmierne napięcie prowadzi do przegrzania odbiorników, ponieważ uwolniona moc jest proporcjonalna do kwadratu napięcia. Do elementów półprzewodnikowych przenika zwiększone napięcie. Żywotność większości urządzeń elektrycznych jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu napięcia. 76 Copyright OJSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Niskie napięcie prowadzi do awarii sprzętu elektronicznego, przegrzania silników elektrycznych. Mimo wszystko, co zostało powiedziane, na pokładzie statku kosmicznego praktycznie nie stosuje się ochrony napięciowej. Wyjaśnia to fakt, że podstawowe źródła energii elektrycznej wykorzystywanej na pokładzie w zasadzie nie mogą wytwarzać napięcia większego niż określone, więc nie ma sensu instalować zabezpieczenia przed przepięciem. Obecnie istnieje tendencja do zwiększania żywotności baterii słonecznych ze względu na redundancję liczby elementów, ze względu na nadmierne napięcie na początku pracy, tak aby pod koniec pracy napięcie wytwarzane przez baterię słoneczną powinno zostać ocenione. Przez cały okres eksploatacji napięcie utrzymywane jest na wartości nominalnej za pomocą odpowiedniej przetwornicy, w przypadku awarii której napięcie może przekroczyć wartości dopuszczalne. W takim przypadku wymagane jest zabezpieczenie przeciwprzepięciowe. Zabezpieczenie podnapięciowe nie jest zapewnione, urządzenia zdalnego przełączania są ustawione na napięcie przełączające 19 V. Jeżeli napięcie sieciowe jest niższe od tej wartości, odbiorniki nie są włączane. Zabezpieczenie zasilania praktycznie nie jest stosowane, ale czasami stosuje się zabezpieczenie przed przegrzaniem. W zależności od liczby operacji ochrona może być jednorazowa lub wielokrotnego użytku. Jednorazowe zabezpieczenia (bezpieczniki) po zadziałaniu stają się niezdatne do dalszego użytku. Dla takiego zabezpieczenia nie można określić prądu wyzwalającego. Jest to ustalane pośrednio. Z partii pobiera się określony procent, wyznacza się prądy robocze, jeśli mieszczą się one w normach, partię uznaje się za odpowiednią. Ze względu na niemożność określenia rzeczywistego prądu roboczego każdego urządzenia, tolerancja urządzenia jest większa +/- 15%. Jednorazowe zabezpieczenie prądowe - bezpieczniki. Szklany bezpiecznik SP składa się ze szklanej rurki 2, tłoczonych metalowych końcówek 1 i skalibrowanego drutu 3 (ryc. 10.1). Prąd zadziałania bezpieczników Icrit wynosi półtora prądu znamionowego wskazanego na bezpieczniku. Jeżeli bezpiecznik wskazuje prąd 2 A, to bezpiecznik zadziała przy prądzie 3 A (+15%...-15%). Ikryt. =1,5* Inom. Wyjaśnia to fakt, że konsument może „pobrać” prąd o 20% większy niż prąd znamionowy. Minimalna wartość prądu roboczego Iav.min. = Icrit *0,85= Inom. *0,85*1,5 = 1,275 Inom, to znaczy pomiędzy maksymalnym dopuszczalnym prądem odbiornika a minimalnym prądem zadziałania bezpiecznika istnieje przerwa 0,075 Inom na nieprzewidziane rys. 10.1. Bezpiecznik szklany 1 – tłoczona metalowa nasadka, 2 – szklany korpus, 3 – przepalający się drut. Ryż. 10.2. Warunki wkładki bezpiecznikowej (wzrost temperatury otoczenia itp.). Aby zwiększyć kontakt bezpiecznika z łącznikami, wykonuje się go w postaci „noża” (ryc. 10.2.). Wysokie prądy charakteryzują się tym, że odbiorniki mają dużą składową indukcyjną prądu, co utrudnia gaszenie łuk. Bezpieczniki dla takich prądów mają odwrócone kołpaki (w celu zwiększenia powierzchni styku), wypełnienie (ryc. 10.3, poz. 4) materiałem, który po podgrzaniu uwalnia dużą ilość gazu. Z powodu gazu, gdy drut 3 się przepali, ciśnienie wzrasta, a łuk gaśnie szybciej. 78 Prawa autorskie JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Trudności pojawiają się przy ochronie odbiorców o dużym prądzie rozruchowym (ryc. 10.4.). Jeśli bezpiecznik zostanie wybrany dla prądu rozruchowego, nie przepali się, gdy prąd przekroczy prąd znamionowy. Jeżeli zabezpieczenie zostanie wybrane w oparciu o prąd znamionowy odbiornika, wówczas bezpiecznik zadziała przy uruchomieniu i takiego odbiornika nie będzie można włączyć. 1 2 3 4 Rys. 10.3. Bezpiecznik dla dużych prądów 1 - toczone kołpaki, 2 - korpus wykonany z tektury elektrycznej, 3 - drut, 4 - materiał, który po podgrzaniu uwalnia dużą ilość gazu. Aby chronić tych odbiorców, stworzono bezpieczniki składające się z dwóch części: bezbezwładnościowej i z bezwładnością cieplną. Bezpieczniki te nazywane są bezpiecznikami zwłocznymi. Sprężyna 5 (ryc. 10.4) nie ma bezwładności cieplnej i jest wyzwalana przy prądzie przekraczającym prąd rozruchowy. Obwód elektryczny pęka bardzo szybko, więc łuk szybko gaśnie. Połączenie dwóch płytek nie ma czasu na rozgrzanie podczas uruchamiania (ze względu na dużą masę), zanim lut się stopi. Topienie następuje tylko wtedy, gdy prąd przekracza prąd znamionowy przez dłuższy czas. Dzięki sprężynie 5 górna płyta 6 (ryc. 10.4) zaczyna ślizgać się po dolnej i w momencie zerwania nabiera dość dużej prędkości. Łuk szybko gaśnie. 79 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Usług Księgarni Ryc. 10.4. Bezpiecznik inercyjny 1 – kołpak, 5 – sprężyna, 6 – element z bezwładnością cieplną. Ochrona prądowa wielokrotnego użytku opiera się na zastosowaniu konstrukcji mechanicznych wykorzystujących elementy bimetaliczne (wyłączniki automatyczne) lub na bazie obwodów elektronicznych z tyrystorami jako elementami mocy. Zabezpieczeniem elektronicznym w wielu przypadkach jest także przełączanie. Ponieważ rezystancja wyłączonych tyrystorów jest niezwykle wysoka (prąd upływowy waha się od kilkudziesięciu mikroamperów). Na ryc. 10,5. Zaprezentowano schemat objaśniający zasadę działania takiego zabezpieczenia. W stanie początkowym (ryc. 10.5.) tyrystory Тв i Т0 są wyłączone, prąd płynący przez Potr wynosi zero, kondensator jest rozładowany. Po przyłożeniu napięcia sterującego do T0 tyrystor włącza się, a jego rezystancja wynosi zero. (Rys. 10.6.). Prąd równy prądowi Pot przepływa przez T0 i przez Ri. Poprzez obwód R1 – C – Ri kondensator ładowany jest do napięcia sieciowego. Jeśli prąd Pot przekroczy dopuszczalną wartość, ze wzmacniacza US do elektrody sterującej TV dostarczane jest napięcie wystarczające do włączenia tyrystora. Rezystancja TV P z r R1 c 27V TV T0 US Ri Rys. 10,5. Schemat ochrony tyrystorowej wielokrotnego użytku Potr - konsument, 80 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency T0 - tyrystor główny, Ri - miernik prądu, C - kondensator do wyłączania T0, TV - tyrystor pomocniczy, US - wzmacniacz, R1 – rezystor do ładowania kondensatora Pot p R1 c I P z p Ri Rys. 10.6. staje się równy zero, a kondensator C jest rozładowywany przez Tv, Ri i T0 (rezystancja Tv wynosi 0, rys. 10.7.). Przez pewien czas prąd kondensatora Ic przekracza prąd odbiornika, tyrystor wyłącza się, a odbiornik zostaje pozbawiony napięcia. Ponieważ R1 został wybrany jako wystarczająco duży, prąd przepływający przez niego telewizor jest wystarczająco mały i telewizor zostanie wyłączony. Schemat powrócił do pierwotnej pozycji. 81 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Kniga-Service Agency Zużycie c IConsumption T0 IC Ri Rys. 10.7. Zabezpieczenie różnicowe F2 F3. F4 F5 Biorąc pod uwagę F1 P I1 F2 D1 I2 D2 F3 F1 I1 P I2 Rys. 10.8. Zabezpieczenie prądu różnicowego. Systemy dystrybucji energii elektrycznej wskazały przypadki, w których odbiorca otrzymywał energię z dwóch lub więcej źródeł. 82 Prawa autorskie JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Obsługi Książek Na ryc. 10.8. (na górze) pokazuje włączenie takiego konsumenta. Źródła I1 i I2 są podłączone do odbiornika P za pomocą ich przewodów. Bezpiecznik F1 jest połączony szeregowo z P. Aby wyeliminować możliwość zwarcia przewodów ze źródeł, na końcach przewodów instalowane są bezpieczniki F2-F3 i F4-F5. Obwód powinien działać w następujący sposób. Na przykład, gdy przewód jest zwarty na linii od źródła I1, bezpieczniki F2 i F3 powinny się przepalić. Odbiornik musi być zasilany ze źródła I2. W rzeczywistości prąd zwarciowy płynie z I1 i I2. Ponieważ dopuszczalny rozrzut prądów zadziałania bezpiecznika jest wysoki (15%), może zadziałać bezpiecznik F4 lub F5, odłączając odbiornik od linii roboczej. I dopiero wtedy zadziała bezpiecznik F2. Konsument jest odłączony od obu źródeł. Ochrona nie jest selektywna. Aby wyeliminować to zjawisko, można zastosować obwód z diodami (rysunek na dole). W rozważanym przez nas przypadku prąd zwarciowy popłynie tylko ze źródła I1. Bezpiecznik F2 zadziała i wyłączy awaryjną sekcję obwodu. Odbiorca otrzymuje energię ze źródła I1. Spis treści Układ zasilania zespołu pokładowego statku kosmicznego…………………………………. 3 1. Budowa układu zasilania…………………... 4 2. Klasyfikacja źródeł pierwotnych………………… 6 83 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Obsługi Księgowo-Serwisowej 3. Chemiczne źródła prądu…………………………… 3.1. Ogólne informacje o chemicznych źródłach prądu (CHS) 3.2 Baterie srebrowo-cynkowe……………………… 3.2.1. Podstawowe parametry techniczno-eksploatacyjne…………………………………………………………….. 3.2.2. Projektowanie akumulatorów srebrno-cynkowych 3.3.3. Główne charakterystyki użytkowe baterii srebrno-cynkowej………………………………………………………... 3.2.4. Charakterystyka niektórych przemysłowych akumulatorów srebrno-cynkowych………………….…….. 3.3. Baterie niklowo-cynkowe………………….….. 3.4. Szczelne akumulatory pryzmatyczne i cylindryczne litowo-jonowe oraz akumulatory na ich bazie…. 3.5. Ogniwa paliwowe……………………………..…….. 3.5.1. Zasada działania……………………………. ..… 3.5.2. Klasyfikacja ogniw paliwowych……… 3.5.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa paliwowego……………………… 3.5.4. Projekt ogniwa paliwowego ciekłego. 3.5.5. Ogniwo paliwowe z membraną jonowymienną (IEM)……………………………………………………… 3.5.6 System energetyczny oparty na ogniwach paliwowych……… 4. Generatory termoelektryczne……… …… … 5. Baterie słoneczne……………………………………… 5.1. Przetworniki fotoelektryczne………………….. 5.2. Baterie słoneczne …………………………… 5.3 Kosmiczne konwertery fotowoltaiczne i baterie słoneczne ……………………………………………………… 5.4 Ogniwa słoneczne produkowane przez wiatr słoneczny zakład ……… ……………………………………………. 6. Wtórne źródła energii elektrycznej…………… 6.1 Schemat blokowy przetwornicy……… 6.2. Sposoby zwiększenia niezawodności przetwornicy………………………………… … 7. Systemy dystrybucji energii elektrycznej… ……..……….. 8. Sieć elektryczna……………………………………………………… 9. Urządzenia łączeniowe………………… …………… 10. Sprzęt ochronny …………………………………… Lista referencji………………………………….. 84 8 8 9 10 11 14 18 21 25 29 29 32 33 35 37 38 42 47 48 54 55 58 61 63 67 68 72 74 77 87 Copyright JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Book-Service Referencje 1. Elektrownie statków kosmicznych./ S.A. Podshivalov, E.I. Iwanow i inni; pod redakcją generalną. D.D. Nevyarovsky V.S. Wiktorowa. –M.: Energoizdat, 1981.- 223 s. 85 Prawa autorskie JSC Centralne Biuro Projektowe BIBKOM & LLC Agencja Obsługi Książek 2. Tuzov, V.P. Urządzenia elektryczne samolotów; Podręcznik podręcznik dla lotnictwa specjalne nieelektryczne uniwersytety/ – M.: Vyssh. szkoła, 1987. – 152 s. 3. Grilikhes, V.A. Energia słoneczna i loty kosmiczne / V. A. Grilikhes, P. P. Orlov, L. B. Popov. –M.: Nauka, 1984. - 216 s. 4. Koltun, V.M. Elementy słoneczne/V.M. Koltun. – M.: Nauka, 1987. 192 s. 5. Kravets, V. G. Podstawy kontroli lotów kosmicznych / V. G. Kravets, V. E. Lyubinsky. – M.: Inżynieria mechaniczna, 1983. – 224 s. 5. Kosmiczne systemy zasilania / V. A. Vanke, L. V. Leskov, A. V. Lukyanov. – M.: Inżynieria Mechaniczna, 1990. – 144 s. 6. Corliss, W. Źródła energii oparte na izotopach promieniotwórczych / W. Corliss, D. Harvey, -M.: Mir, 1967. - 414 s. 7. Petrovichev, M.A. Systemy wyposażenia statku powietrznego. Warsztat laboratoryjny / M.A.Pietrowiczew, E.I.Davydov. - Samara: Izvvo Sam. państwo lotniczy Uniwersytet, 2004. - 80 s. 8. Generatory termoelektryczne, http://www.rif.vrn.ru/new/index.html. 9. Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe. 2006, e-battery.ru 10. Lavrus, V.S. Źródła energii / V.S. Lavrus // NiT, 1997 11. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem; zbiór artykułów naukowych i technicznych. – Śnieżinsk; Wydawnictwo RFNC - VNIITF, 2003. - 376 s. 12. Baterie słoneczne OJSC „Saturn” w programach kosmicznych./ http://www.saturn.kuban.ru/2.html 13. Firma akumulatorowa „RIGEL” 2004. / http://www.rigel.ru/rigel/akk/index.html 14. Ogniwa słoneczne produkowane przez elektrownię Solar Wind./ [e-mail chroniony] [e-mail chroniony] 86 Copyright OJSC „CDB „BIBKOM” & LLC „Agency Kniga-Service” Publikacja edukacyjna Pietrowiczew Michaił Aleksandrowicz Gurtow Aleksander Siergiejewicz SYSTEM ZASILANIA KOMPLEKSU POKŁADOWYCH WAGONÓW KOSMICZNYCH Podręcznik edukacyjny Redaktor techniczny A. G. Prochorow Redakcja T. Yu. Deptsova Układ komputerowy T. Yu. Deptsova Układ T. Yu. Deptsova Podpisano do druku w dniu 22.10.07. Format 60x84 1/16. Papier offsetowy. Druk offsetowy. Pech. l. 5.5. Nakład 120 egzemplarzy. Zamówienie. IP-15/2007 Stanowy Uniwersytet Aerokosmiczny w Samarze. 443086 Samara, Moskovskoe shosse, 34. Wydawnictwo Samara State Aerospace University. 443086 Samara, autostrada Moskovskoe, 34. 87

Źródła energii elektrycznej dla statku kosmicznego, dokument zatytułowany. Układ zasilania zespołu pokładowego statku kosmicznego (160,00 RUB) Katedra Inżynierii i Technologii Kosmicznej

Rysunki do patentu RF 2396666

PRAWO

Rozwiązanie atomowe

Ku nowym granicom

Czy należy się bać odnowionych iPhone'ów?

Project CARS - Wymagania systemowe Minimalne wymagania systemowe Project Cars

Jak ustawić Google jako domyślną wyszukiwarkę w Chrome Ustaw Google jako domyślną

Numerologia numerów telefonów: jak wybrać szczęśliwy numer

Błąd „Urządzenie USB MTP

Źródła energii elektrycznej dla statku kosmicznego, dokument zatytułowany. Układ zasilania zespołu pokładowego statku kosmicznego (160,00 RUB) Katedra Inżynierii i Technologii Kosmicznej

Rysunki do patentu RF 2396666

PRAWO

Rozwiązanie atomowe

Ku nowym granicom

Podobne artykuły