Звідки братимуть енергію космічні апарати майбутнього? Система енергопостачання бортового комплексу космічних апаратів (160,00 руб.) Проектування системи енергопостачання космічного апарату

Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» ФЕДЕРАЛЬНА АГЕНЦІЯ ЗА ОСВІТОЮ ДЕРЖАВНА ОСВІТА ВИЩОГО ПРОФЕСІЙНОГО ОСВІТУ ОБРАЗІВ. КОРОЛЬОВА» М. А. ПЕТРОВИЧОВ, А. С. ГУРТОВ СИСТЕМА ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСУ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ Затверджено Редакційно-видавничою радою університету як навчальний посібник САМАРА .05 ББК 39.62 П306 ЦІ ОНАЛЬ НІ ПР ТЕТНІ Е Н А О РІ ОЕКТИ Інноваційна освітня програма "Розвиток центру компетенції та підготовка фахівців світового рівня в галузі аерокосмічних та геоінформаційних технологій" ПР І Рецензенти: доктор технічних наук А. е в, заступник начальника відділу ДНП РКЦ «ЦСКБ - Прогрес» С. І. Міненко П306 М.А. : Вид-во Самарського державного аерокосмічного ун-ту, 2007. – 88 с.: іл ISBN 978-5-7883-0608-7 Розглядається роль і значення системи електропостачання для космічного апарату, складові елементи цієї системи, особлива увага приділяється розгляду принципів дії та устрою джерел живлення, особливостям їх використання для космічної техніки. Посібник дає досить довідковий матеріал, який може використовуватися при курсовому та дипломному проектуванні студентами неелектричних спеціальностей. Навчальний посібник призначений студентам спеціальності 160802 «Космічні апарати та розгінні блоки». Воно також може бути корисним молодим фахівцям ракетно-космічної галузі. Підготовлено на кафедрі літальних апаратів. УДК 629.78.05 ББК 39.62 ISBN 978-5-7883-0608-7 2 Петрович М. А., Гуртов АС, 2007 Самарський державний аерокосмічний університет, 2007 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» бортового комплексу космічних апаратів Зі всіх видів енергії електрична є найбільш універсальною. У порівнянні з іншими видами енергії вона має ряд переваг: електрична енергія легко перетворюється на інші види енергії, ККД електричних установок значно вищий за ККД установок, що працюють на інших видах енергії, Електричну енергію легко передавати по дротах до споживача, електрична енергія легко розподіляється між споживачами. Автоматизація процесів управління польотом будь-яких космічних апаратів (КА) немислима без електричної енергії. Електрична енергія використовується для приведення в дію всіх елементів пристроїв та обладнання КА (рухова група, органів управління, систем зв'язку, приладового комплексу , опалення тощо). Система електропостачання (СЕС) КА одна із найважливіших систем, які забезпечують працездатність КА. Основні вимоги до СЕС: необхідний запас енергії для здійснення всього польоту, надійна робота в умовах невагомості, необхідна надійність, що забезпечується резервуванням (за потужністю) основного джерела та буфера, відсутність виділень та споживання газів, здатність працювати в будь-якому положенні у просторі, мінімальна маса, мінімальна вартість. Вся електроенергія, необхідна для виконання програми польоту (для штатного режиму, а також для деяких нештатних), повинна знаходитися на борту КА, оскільки її заповнення можливе тільки для станцій. Надійність СЕС багато в чому визначається 3 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» резервуванням усіх видів джерел, перетворювачів, комутаційної апаратури та мережі. Невагомість істотно впливає на рідини і гази, змушуючи використовувати джерела, що не містять рідини у вільному стані. Це також забезпечує працездатність апаратури при зміні положення в просторі. Враховуючи мінімальний внутрішній обсяг КА, навіть невелика кількість газу, потрапляючи в нього, суттєво змінюють склад атмосфери. Гази, що виділяються з джерел несуть із собою пари лугів або кислот, які призводять до корозії та відмов, насамперед, БЦВМ та радіоапаратури. Використання таких джерел на борту КА небажане. 1. Структура системи електропостачання КА. Основною системою електропостачання КА є система постійного струму. Це визначено тим, більшість джерел, які можуть використовуватися на борту, є джерелами постійного струму. Мережа змінного струму є допоміжною, використовується для живлення обмеженої кількості споживачів, наприклад системи управління рухом. Первинне джерело (рис.1.1) перетворює будь-яку енергію (хімічну, світлову, ядерну) в електричну і має забезпечити роботу споживачів під час польоту. Споживання електроенергії під час польоту нерівномірне: бувають піки навантаження (зазвичай під час роботи корисного навантаження, спуску з орбіти і т.д.) і моменти, коли навантаження мало. Для парірування піків навантаження використовують буферне джерело. Вперше на багаторазовому КА «Шаттл» використано безбуферну систему електропостачання. Це пояснюється тим, що на літальному апараті використовуються три первинні джерела на основі паливних елементів, що дозволяє варіювати генерованої ними потужністю. 4 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Система розподілу Перетворювач Перетворювач Мережа Споживач Первинний джерело Буферне джерело Рис.1.1. Структура апарату системи електропостачання космічного Буферне джерело характеризується тим, що сумарна енергія, що виробляється ним, дорівнює нулю. Він заряджається під час малого навантаження на мережу та віддає енергію під час піків. Зазвичай як буфер використовують акумулятори. Для узгодження характеристик акумулятора з первинним джерелом та мережею використовують перетворювачі (рис.1.1.). У першому випадку це зарядний пристрій, у другому – стабілізатор напруги, що забезпечує стабільність напруги у мережі. Вироблена електроенергія повинна бути доставлена ​​споживачеві потрібній кількості , у заданий час, з необхідною якістю. Цими завданнями займаються система розподілу та електрична мережа. Система розподілу підключає споживач до відповідного джерела, забезпечує резервування (якщо це необхідно) та вимикає, якщо споживач несправний. Технічна реалізація цих процесів здійснюється за допомогою комутаційної та захисної апаратури. Доставкою електроенергії споживачеві займається електрична мережа. Вона має бути мінімальна за масою, але водночас мати 5 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» малі втрати електроенергії та забезпечувати надійне з'єднання споживача та джерело. 2. Класифікація первинних джерел до та термоелектричні Електрична енергія механічна теплова ядерна світлова Рис.2.1. Способи отримання електричної енергії на борту КА На борту космічного апарату може використовуватися як первинна тільки три види енергії: хімічна, ядерна і сонячна. Причому хімічна та ядерна забираються із Землі, а сонячна надходить безпосередньо під час польоту. Можливі три способи перетворення хімічної енергії безпосередньо на електричну, так званий прямий спосіб перетворення. В цьому випадку отримуємо джерела з досить високим ККД (близько 70%): гальванічні елементи, акумулятори та паливні елементи (рис.2.1). 6 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Гальванічні елементи запасають хімічну енергію прямо в корпусі, і в міру її витрати закінчується цикл роботи. В акумуляторах можливе подвійне перетворення: при зарядці накопичується хімічна енергія, при розряді хімічна перетворюється на електричну (стрілки на рис.2.1 показують напрямок перетворення енергії). Вперше на борту використовувався срібно-цинковий лужний акумулятор (СЦА) через те, що він найлегший, може працювати в будь-якому положенні і не виділяє і не споживає гази. СЦА дали поштовх розвитку цілого ряду акумуляторів. В даний час акумулятори мають найбільше поширення як основні та буферні джерела. У паливних елементах хімічна енергія постійно поповнюється ззовні. Найбільш розробленими є паливні елементи, у яких як «паливо» використовується Н2 та О2. Хімічна реакція окиснення водню рознесена на два електроди. В результаті отримуємо електричну енергію, тепло та воду. Це джерело досить складне в експлуатації, але має малу масу, досить великий термін роботи (до 5000 годин) і хороший ККД. У поєднанні з пристроєм, що розкладає воду на Н2 і О2, може забезпечити повний цикл буферного джерела з великим терміном служби, легше за добрий акумулятор і має досить високий ККД. Усі первинні джерела енергії (хімічна, ядерна та світлова) можуть використовуватись для отримання тепла. Перетворення теплової енергії на електричну можливе трьома шляхами: термоелектричний генератор, термоелектронний (термоіонний) генератор і магнітогідродинамічний генератор (МГД). Термоелектричні генератори спочатку мали ККД 0,7% і використовувалися як вимірювачі температури під назвою Термопара. Використання напівпровідників дозволило підвищити ККД до 7-10%. Термоелектричні генератори у поєднанні з ізотопними джерелами тепла утворюють надзвичайно надійні та тривалі джерела електричної енергії невеликої потужності. Використовуються на борту як над-аварійні джерела. Термоелектронний генератор улаштований за принципом електронної лампи. Має ККД дещо більше, але наявність високої температури ставить його на борту нераціональним. У 80-ті роки минулого століття конструктора космічної техніки звернули свою увагу на машинні генератори, що широко застосовуються в земних умовах, незважаючи на потрійне перетворення енергії, наявність вібрацій, складність роботи. за умов вакууму. Ці генератори виявилися найдешевшими, детально вивченими, що мають хороші характеристики та ККД трохи нижче 40% і дають велику потужність у невеликому обсязі («Шаттл»). При використанні електромашинних генераторів доводиться вирішувати проблеми їх роботи в умовах вакууму, приводу та забезпечення стабільності частоти. Сонячні батареї (СБ) використовують пряме перетворення сонячної енергії за допомогою напівпровідникових перетворювачів на електричну. СБ мають ККД до 30%, але погіршують маневреність КА, мають невеликий термін служби та не працюють на тіньовій ділянці орбіти. Останніми роками СБ привертають пильну увагу вчених усього світу, оскільки вдалося отримати ККД понад 40%. Використання арсеніду галію дозволяє отримувати надтонкі СБ малої маси з великим терміном служби. Раціонально використовувати на навколоземних орбітах для постачання електроенергією космічних станцій. Всі перераховані вище джерела електричної енергії надзвичайно дорогі, тому вартість 1 кВт-годину, що отримується від сонячних батарей, досягає 40 $. 3. ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ (ХІТ) 3.1. Загальні відомості про хімічні джерела струму (ХІТ) Хімічний джерело струму (ХІТ) - це пристрій, в якому енергія хімічної реакції безпосередньо перетворюється на електричну енергію і навпаки. Велика різноманітність ХІТ, що відрізняються розмірами, конструктивними особливостями і природою струмоутворюючої реакції, що протікають в них, обумовлено широким використанням їх у різних умовах і галузях техніки. За принципом роботи ХІТ поділяються на такі групи: гальванічні елементи (елементи одноразової дії), у цих елементах закладено певний запас реагентів, після витрачання яких вони втрачають свою працездатність; акумулятори (елементи багаторазової дії, що перезаряджаються або оборотні). Акумулятори після розряду допускають повторний заряд шляхом пропуску струму від зовнішнього ланцюга у зворотному напрямку, при цьому з продуктів реакції відновлюються вихідні речовини. Більшість акумуляторів допускає проведення великої кількості циклів заряд-розряд; паливні елементи У паливні елементи в процесі роботи безперервно підводяться нові порції реагентів і одночасно видаляються продукти реакції, тому можуть працювати безперервно протягом тривалого часу. Оскільки найширше застосування отримали акумулятори, то справжня робота ставить своїм завданням ознайомлення з найбільш поширеними типами. 3.2Срібно-цинкові акумулятори Срібно-цинкові (СЦ) акумулятори є варіантом лужного акумулятора з негативним цинковим електродом і позитивним - срібним. Електролітом служить розчин хімічно чистого їдкого калі концентрації близько 560 г/л (щільність електроліту близько 1.4). Струмоутворювальна реакція може бути представлена ​​такими рівняннями: 2Ag + Zn Про заряд розряд Ag2 O +Zn Ag 2O +Zn заряд розряд Ag + Zn О. При заряді акумулятора на позитивних електродах відбувається окислення металевого срібла Ag спочатку до півокису Ag2O, а потім - до Ag0, на негативних відновлення окису цинку (Zn0) до металевого цинку (Zn). Наявність двох стадій хімічної реакції зумовлює два ступені заряду та розряду СЦ акумуляторів (див. рис. 3.3-3.4). Крім основних реакцій при роботі та зберіганні СЦ акумуляторів можливе перебіг ряду побічних реакцій. Одна з побічних реакцій – саморозчинення металевого цинку (корозія), що супроводжується виділенням газоподібного водню. При температурі 20 ° С виділяється 0,3-0,4 мл водню на добу з однієї ампер-години ємності акумулятора, при температурі 0 ° С -0,13 мл, при температурі 40 ° С - 2 мл. Умовне позначення срібно-цинкових акумуляторів складається з літер СЦ, що визначають їх приналежність, літери, що характеризує конструктивний різновид і час розряду: 9 Copyright -годинного); З - середній (від 1-годинного до 10-годинного); Д - тривалий (від 10-годинного та більше); К – середній, багатоцикловий; Б - буферний, багатоцикловий, і числа, що умовно показує ємність акумулятора. Через дробову межу до умовним позначеннямакумулятора вказується чотиризначний чи п'ятизначний номер технологічного варіанта виконання. З'єднані послідовно акумулятори складають батареї та утворюють блок живлення. 3.2.1 Основні техніко-експлуатаційні характеристики: Питома енергія -<=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 º С - нікель Ni. Щоб забезпечити нормальну роботу паливних елементів, потрібні спеціальні електроди (рис.3.20). Такий товщини пластини вистачає забезпечення різниці тисків між рідиною і газом ±0,5атм. Електрод має бути двошаровим. Перший тонкий шар з малими отворами покритий змочуючою речовиною, яка створює капілярну силу, що виштовхує рідину у бік газу. Друга, більш товста частина електрода має отвори 30-50 мкм, які покриті 31 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» несмачивающей речовиною, що прагне виштовхнути рідину у бік електроліту. Наприклад, тиск у рідині підвищився. За рахунок цього рідина просувається у бік газу, несмачивающая сила збільшується, компенсуючи надлишок тиску. Нині електроди виготовляються із дроту методом технології «метало-гума». Теоретично розміри паливного елемента можуть бути як завгодно великими. Однак на практиці кілька елементів об'єднуються в невеликі модулі або батареї, які з'єднуються або послідовно або паралельно. 3.5.2. Існують різні типи паливних елементів. Їх можна класифікувати, наприклад, за використовуваним паливом, робочим тиском і температурою, за способом видалення води. а) за видом палива: на основі Н2 та О2. Продукт реакції – тепло, електрична енергія та вода. Для КА це найзручніший тип палива, оскільки вода та кисень можуть використовуватись у системі життєзабезпечення (СОЖ). в принципі, ТЕ можуть працювати на будь-якому паливі. б) за робочою температурою: низькотемпературні – до 100 ºС («Шаттл», «Джеміні»). Виділення низькотемпературної групи ТЕ пояснюється способами збирання води, оскільки цих ТЕ вона перебуває у рідкому стані; середньотемпературні – до 260º–300ºС («Аполлон»). Для цих ТЕ характерна максимальна швидкість реакції. високотемпературні – 1000 ºС. Застосування на КА таких ТЕ є проблематичним через високу температуру та складність відведення тепла. Ведуться інтенсивні роботи зі створення ТЕ для земних потреб, що працює на природному газі та кисні повітря при температурі 500-7000С з ККД близько 70%. в) за способом збору води: ґнотовий (як у гасовій лампі). Використовувався на «Джемені» дуже повільна пристосованість; 32 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» випарний, характерний для середньотемпературних ТЕ, де вода знаходиться в газоподібному стані; динамічний: використовується камера з низьким парціальним тиском води, що сполучається з водневою газовою камерою за допомогою мембрани з односторонньою провідністю води. г) на вигляд електроліту: рідкий, використовується розплав КОН при температурі близько 2500 С; твердий (іонно-обмінна мембрана), носій заряду – іон водню; матричний, використовується матеріал із мікропорами – азбест, в який заливають рідкий електроліт. 3.5.3. ВАХ паливного елемента 1.23 1 2 3 J A/cm2 0 50 100 150 200 250 Рис.3.21. Вольтамперна характеристика ТЕ Вольтамперна характеристика ТЕ на кисні - водні (рис.3.21.) може бути розділена на три ділянки залежно від процесу, що визначає падіння напруги. ЕРС такого ТЕ становить 1.23 В. 1-а ділянка: характеризується витратою енергії на організацію хімічного процесу (хімічна поляризація) (рис.3.21, ділянка 1); 33 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» 2-а ділянка характеризується переважним падінням напруги на «омічних» елементах - на електродах та електроліті; 3-я ділянка - іони не встигають надходити всередину електродів, нестача концентрації іонів (концентраційна поляризація). Збільшення температури електроліту призводить до зменшення витрат енергії на організацію хімічного процесу, і за нормальної температури близько 20000 З процес йде самостійно. Зміна температури мало впливає величину падіння напруги дільниці 2. На ділянці 3 початкове збільшення температури веде зростання енергії іонів – нахил зменшується. Зростання температури викликає збільшення коливань молекул електроліту, що ускладнює рух іонів, швидкість руху іонів падає. Таким чином, існує оптимальна температура електроліту, коли падіння напруги на ділянці 3 буде мінімальним. Для електроліту КОН з концентрацією 1.8 оптимальна температура становить близько 250о С. Для того щоб електроліт залишався рідким, необхідний тиск порядку 4.5 атм. Для паливних елементів немає термодинамічного обмеження коефіцієнта використання енергії. У існуючих паливних елементах від 60 до 70% енергії палива безпосередньо перетворюється на електрику. Паливні елементи можуть у майбутньому стати широко використовуваним джерелом енергії на транспорті, промисловості та домашньому господарстві. Висока вартість паливних елементів обмежувала їх застосування військовими та космічними додатками. Передбачувані використання паливних елементів включають їх застосування як переносних джерел енергії для армійських потреб та компактних альтернативних джерел енергії для навколоземних супутників із сонячними батареями під час проходження ними довгих тіньових ділянок орбіти. Невеликі розміри та маса паливних елементів дозволили використовувати їх при пілотованих польотах до Місяця. Паливні елементи на борту тримісних кораблів «Аполлон» застосовувалися для живлення бортових комп'ютерів та систем радіозв'язку. Паливні елементи можна використовувати як джерела живлення обладнання у віддалених районах, для позашляхових транспортних засобів, наприклад, у будівництві. У поєднанні з електродвигуном постійного струму, паливний елемент буде ефективним джерелом рушійної сили автомобіля. 34 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Для широкого застосування паливних елементів необхідні значний технологічний прогрес, зниження їх вартості та можливість ефективного використання дешевого палива. За виконання цих умов паливні елементи зроблять електричну та механічну енергію широко доступними у всьому світі. 3.5.4. Влаштування рідинного паливного елемента ТЕ з рідким електролітом використовувався при польотах на Місяць апаратів «Аполлон». Як електроліт застосовувався розплав КОН концентрації 1.8. При температурі нижче 200 градусів цей електроліт не проводить електричний струм, тому для роботи його необхідно попередньо розігріти, використовуючи джерело. Як основний конструкційний матеріал використовується нікель, оскільки він добре працює при підвищених температурах і є каталізатором. Термін служби такого ТЕ – близько 500 годин. Основні переваги: ​​можливість отримання великої щільності струму – до 250 міліампер на квадратний сантиметр, використання дешевого каталізатора та матеріалу конструкції, оскільки електроліт у реакції не бере участі, ТЕ має його у малій кількості, тому товщина ТЕ становить кілька міліметрів. 35 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Рис. 3.22. Пристрій рідинного паливного елемента 1 - гнучкий корпус з Ni, 2 - газокиснева камера з Ni, 3 - кисневий електрод, Ni-дрот, 4 - електроліт, розплав КОН, 5 - фторопластовий сепаратор, 6 - газоводнева камера, 7 - негативний електрод, 8 - Ізолятор. Недоліки ТЕ з рідким електролітом: для початку роботи ТЕ необхідно розігріти його до температури 200-2500 С, для підтримки ТЕ в робочому стані необхідно споживати електричний струм незалежно, потрібен він в цей час чи ні, малий термін служби, потрібна хороша система охолодження. Конструктивно ТЕ виконується у вигляді двох половинок із нікелевого корпусу (рис. 3.22, поз.1), розділених (електрично) ізолятором 8. Електроди двошарові, виконані їх нікелевим дротом. Газові камери 2 і 6 отримують штампуванням з нікелю і приварюють в кількох місцях електродів. Між електродами, для запобігання замиканню, розташовується фторопластовий сепаратор 5. Для забезпечення тиску всередині паливного елемента його корпус 1 (рис.3.22) робиться гнучким. Необхідна кількість паливних елементів (для отримання напруги 27В ТЕ з'єднують послідовно) міститься в циліндр, де створюється внутрішній тиск. Так як корпус не з'єднується із зовнішнім середовищем, то всередині нього не утворюються бульбашки повітря, тим самим забезпечується надійність паливного елемента. Для відведення тепла та забезпечення заданої температури електроліту та електроду Н2 використовується продування Н2 через газоводневу камеру. Разом з воднем із газової камери виносяться пари H2O, які конденсують шляхом охолодження. Відмінною особливістю паливного елемента є те, що реакцію вступають тільки H2 і О2. Усі домішки, які у газах, накопичуються в газових камерах, зменшуючи площу контакту H2 і О2 з електролітом, зменшується струм чи напруга. Для запобігання цьому періодично виробляють продування газових камер, викидаючи назовні їх вміст. Втрати H2 та О2 за рахунок продування – 10-14%. 3.5.5. Паливний елемент з іонно-обмінною мембраною (ІОМ) Паливний елемент на основі ІОМ протягом багатьох років експлуатується на МКА «Шаттл». Ці ТЕ мають низку переваг у порівнянні з ТЕ з рідким електролітом: великий термін служби (до 5000 годин); постійна готовність до роботи; за відсутності споживання енергії не витрачається паливо. В ІОМ-ах використовується найлегший іон – Н+ (рис.3.23). Це дозволяє витрачати на його рух мінімум енергії та отримувати високу швидкість руху іонів. Існують 2 типи ІОМ: 1. із граничною температурою 42ºС; 2. на основі фтору із граничною температурою 82ºС. 37 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Рис. 3.23. Пристрій ТЕ з іоннообмінною мембраною 1 – газокиснева камера, 2 – СТР, 3 – система збору H2О, 4 – позитивний електрод, 5 – твердий електроліт – іоннообмінна мембрана, 6 – водневий електрод 7 – газоводнева камера. Паливні елементи на основі ІОМ – низькотемпературні. Максимальна щільність струму першої ІОМ – 25-30 мА/см2, другий ІОМ – до 200 мА/см2. У цьому ТЕ H2О утворюється на кисневому електроді та виділяється тепло. ІОМи критичні до температури та вологості. При підсиханні ІОМ розтріскуються (при збільшенні температури), зменшуючи струм, що віддається. Газові камери виконуються з титану Ti, електроди – титановий дріт, покритий в один – два молекулярні шари платиною Pt. Збір води на перших ТЕ проводився за допомогою ґнотів, на сучасних ТЕ – шляхом використання камери низького парціального тиску води та її динамічного відсмоктування. Термін служби сучасного паливного елемента з ІОМ досягає 5000 годин. 3.5.6. Енергетична система на базі ТЕ Як зазначалося вище, ТЕ може працювати лише за наявності систем, що забезпечують. Система зберігання та подачі компонентів (СХіП) робочих тіл (рис.3.24.) забезпечує зберігання водню та кисню та подачу їх у ТЕ при заданих температурі та тиску. Система може будуватися на основі газобалонного та кріогенного зберігання робочих тіл. Одним з 38 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» переваг воднево-кисневого палива є його висока H2 Про Система зберігання та подачі ЕХГ Споживачі СТР Система управління Н Q Рис. 3.24. Структура системи електропостачання з урахуванням паливних елементів питома енергія q=2540Вт-час на кілограм маси. З таблиці видно, що з воднево-кисневих ТЕ найдоцільніше кріогенне зберігання робочих тел. Таблиця. Способи зберігання та подачі водню та кисню №/№ Спосіб зберігання Питома енергія, Вт-ч/кг 1 без систем зберігання та подачі 2540 балонна система зберігання 130 2 металева балонна система зберігання 260 3 композитна 4 кріогенна система зберігання 1580 Досить довгий час при великих перервах у роботі, забезпечення та регулювання заданого тиску водню і кисню здійснюється 39 Кріогенна СХіП забезпечує високе значення питомої енергії, але є дуже складною, дорогою і дозволяє здійснювати політ трохи більше 2 тижнів. Збереження компонентів рідкому стані здійснюється шляхом «охолодження», тобто. випаровування компонентів. Тому, якщо немає споживання компонентів, витрата їх продовжується, забезпечуючи рідкий стан за рахунок теплоти випаровування. Криогенний бак є дві поліровані ємності, вставлені одна в одну, простір між ними вакуумується. При роботі ТЕ необхідна кількість кисню та водню залежить від споживаної електроенергії. Для отримання необхідної кількості газоподібних водню та кисню всередині бака є нагрівач, керований від тиску в баку. У баку також є вентилятор, що забезпечує перемішування рідини (що особливо важливо за умов невагомості). Захист від високих тисків здійснює дренажний клапан. На виході кріогенного бака стоїть насос, який забезпечує необхідний тиск газів у робочих камерах ТЕ. Зважаючи на складність кріогенної системи та особливі умови її роботи, зрозуміло, чому перша аварія із СЕС сталася на «Аполлоні 13», де вибухнув кисневий кріогенний бак. Електрохімічний генератор (ЕХГ) є генератором електричної енергії на основі ТЕ, об'єднаних в батарею. Для отримання необхідної напруги послідовно з'єднують до 30 ТЕ, при цьому газові камери ТЕ знаходяться під напругою відносно один одного, тому для подачі водню і кисню в ТЕ необхідно використовувати трубопроводи, виконані з ізоляційного матеріалу. Зазвичай подача робочих тіл і продування забезпечуються паралельно з'єднаними трубопроводами. До складу ЕХГ входить також підсистеми відведення води та тепла. Підсистема збору води може бути статичною з використанням гніт або створенням градієнта тиску водяної пари з зони електрохімічної реакції у вологовідділювальну порожнину або динамічної з циркуляцією водню через осушувальні камери. Вода зазвичай використовують у системі забезпечення життєдіяльності (СОЖ) екіпажу. 40 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Підсистема відведення тепла від ТЕ забезпечує збирання тепла та передачу його в систему терморегулювання (СТР) КА. Система управління (СУ) забезпечує автоматичне управління усіма елементами енергосистеми в залежності від кількості споживаної електроенергії Як приклад розглянемо основні параметри енергетичної системи багаторазового КА «Шаттл» на основі паливних елементів. Потужність, кВт: 4 мінімальна 14 максимальна пікова: 20 протягом 60 хв. 24 протягом 2 хв Рід струму Постійний Напруга постійного струму, В 27.5 – 32.5 Енергоємність, кВт-год: 1480 номінальна 50 для корисного вантажу 120 аварійна Вода в СОЖ, що виробляється ЕХГ, кг 500 Кисень для СОЖ,0 Ресурс одного циклу, добу. 7 Число циклів 100 Загальний ресурс, година 5000 Час життя, років 10 Тривалість передстартової підготовки, 24 год Тривалість підтримки готовності до 24 запуску, година 4. Термоелектричні генератори Проблема пошуку джерел енергії, здатних в автономному режимі забезпечувати електроживлення, актуальна Використання принципу прямого перетворення теплової енергії на електричну 41 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» дозволяє вирішити поставлене завдання. Серед відомих систем, що використовують цей принцип (термоемісійні, термоелектричні перетворювачі та МГД-генератори), з електричною потужністю до кількох кіловат, тривалим ресурсом (більше десяти років), високою надійністю, автономністю в даний час володіють тільки системи з термоелектричними перетворювачами, що робить їх найбільш переважними для використання як автономні джерела струму. Принцип дії. При нагріванні одного кінця провідника носії електрики переміщуються від нагрітого кінця холодного, створюючи різницю потенціалів (рис.4.1а). Т1 Т1 - - Т1 ЕРС Т2 Т2 + тепло а) б) Мал. 4.1. Принцип дії термоелектричного генератора Для зняття різниці потенціалів потрібен другий провідник, один кінець якого нагріється і в ньому створиться різниця потенціалів (рис. 4.1б). Якщо взяти провідники з однакового матеріалу, то сумарна різниця потенціалів завжди дорівнюватиме нулю. Провідники мають бути з різних матеріалів. Найкраща пара металевих матеріалів мідь-константан має ЕРС 46.3 міліВольта при різниці температур 1000о та ККД близько 0.7%. ККД термоелектричного перетворювача визначається термічним ККД та ККД перетворення 42 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Т2 і для металевого термоелемента максимум складе близько 80%. Отже, ККД перетворення не перевищує 10%. Це тим, що у металі однакові носії – електрони, і різниці потенціалів, отримані кожному провіднику, віднімаються (рис. 4.1б). З'єднання провідників, що піддається нагріванню зветься «гарячий спай», ненагріване – «холодний спай». Такий термоелемент не використовується для отримання електроенергії, а застосовується для вимірювання температури і зветься «термопара». Для отримання електроенергії необхідно підвищити ККД перетворення, що можна здійснити, використовуючи напівпровідники з різними носіями – p і n. І тут ККД перетворення стає значно вище. Однак для найбільш поширених кремнієвих напівпровідників гранична температура становить 1500 С та загальний ККД не перевищує 7-10%. Напівпровідникові матеріали, що використовуються в таких генераторах, повинні мати якнайбільший коефіцієнт термо-е.д.с. , хорошу електропровідність та малу теплопровідність. р Сполучні пластини n p тепло Мал. 4.2. Пристрій напівпровідникового ТЕГ 43 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Останнє необхідно для того, щоб отримати значний перепад температури між холодними та гарячими спаями кристалів. Цим вимогам найкраще задовольняють сильно леговані напівпровідникові матеріали (напівметали). 0.25 Напруга, 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Струм, А Рис. 4.3. Вольтамперна характеристика ТЕГ Пристрій напівпровідникового ТЕГ показано на рис. 4.2. Батарея термоелементів збирається з кристалів p і n, розміщених між поверхнею, що нагрівається і охолоджується (рис.4.2.). Напівпровідникові елементи p і n розташовуються по черзі таким чином, щоб ЕРС підсумовувалися (показані стрілками). Для з'єднання напівпровідникових елементів використовують металеві пластини. Оскільки для роботи в термоелектричному генераторі не потрібна висока чистота матеріалів, що використовуються, то генератори виходять відносно дешевими і успішно працюють в умовах проникаючої радіації. Для розігріву може використовуватися побічне тепло (сонячне світло, стінка установки, що розігрівається при роботі) і тепло від спеціального генератора (радіоізотоп, атомний реактор). Незважаючи на малий ККД, що не перевищує 10%, термоелектричні генератори знайшли широке застосування для живлення переносних пристроїв електроніки. Пояснюється це простотою експлуатації, високою надійністю, невеликою вартістю. Зовнішня характеристика одного з термоелементів (мал.4.3) досить круто спадає, тому для такого генератора не 44 Copyright ВАТ «ЦКБ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» короткі замикання, але ТЕГ можуть використовуватися в силу цього як індивідуальні джерела. Рис. 4.4. Зовнішній вигляд ТЕБ радіально-кільцевої конструкції У вітчизняних промислових та досвідчених термоелектричних генераторах (ТЕГ) на природному газі максимальна одинична електрична потужність не перевищує 150 Вт. Поодинока потужність працюючих ТЕГ з атомно-реакторним нагріванням досягає 5 кВт. Найбільш раціональним джерелом тепла для КА є ізотопи. Це поєднання напівпровідникового ТЕГ та ізотопу дозволяють створити джерела, що працюють надійно багато років. ТЕГ для космічної техніки мають невелику потужність і використовуються як понад аварійні джерела для цілей включення пиросредств. На населених супутниках таке джерело виходить надто важким через радіаційний захист. Термоелектричні батареї (ТЕБ) можуть бути як плоскою, так і радіально-кільцевою форми. Загальним недоліком ТЕБ плоскої геометрії є суттєва деградація електричної потужності та системного ККД при багаторазовому термоциклюванні та через зростання внутрішнього електричного опору. Ці недоліки можна усунути застосуванням ТЕБ радіально-кільцевої геометрії (рис.4.4.). Циліндричні елементи з передачею теплоти по радіусу конструктивно добре поєднуються з найбільш поширеними як в ядерній енергетиці, так і в теплотехніці трубчастими конструкціями теплообмінників. Це дозволяє отримати в циліндричних конструкціях більш високі питомі енергетичні характеристики за рахунок зниження маси конструктивних елементів 45 Copyright радіально-кільцевої конструкції. Таблиця. 4.1. Деякі термоелектричні генератори, що випускалися в СРСР Теплова потужність РІТ, Вт КП Електрична Д, ая % потужність РІТЕГа, Вт Вихідний електричний Маса Початок РІТЕГ виробництва напруга а, кг РІТЕГа, В Ефір- 720 МА 30 4-2 6 1 2200 80 3.6 24 2500 1976 Гонг 315 18 5.7 14 600 1983 ИЭУ1М 2200 120 (180) (3300) 5.4 5 100 100 Таблиця 4.2. Термоелектричні генератори, що використовувалися на супутниках США Характеристика SNAP-9A SNAP-11 IMP COMSAT Космічний Транзит – 4 Сервеєр IMP COMSAT апарат Паливо Pu238 Cm242 Pu238 Sr90 Максимальна електрична 25 21-25 2 5 2 . 12.3 13.6 9.6 11.4 1-3 Ресурс, місяці 6 2-6 5-10 років року 5. Сонячні батареї 46 на ка. Тому вже 1958 року СРСР та США розробили та поставили на борт КА перші сонячні батареї. Сонячна батарея є сукупністю перетворювачів світла в електрику (ФЕП) і конструктивні елементи - панелі, що забезпечують механічну міцність, геометричну незмінність та кріплення їх до конструкції КА. За невеликий термін відбувся бурхливий розвиток теорії фотоперетворювачів (ФЕП), розроблено нові конструктивні та технологічні рішення. Так ККД ФЕП збільшився з 7% перших сонячних батарей до 42% в експериментальних установках. Збільшився розмір ФЕП з 10*20 мм до 150*150мм у сучасних батареях, що дозволяє знизити масу за рахунок комутаційних з'єднань та зменшення площі батареї. Збільшено термін служби за рахунок застосування гнучкого з'єднання ФЕП, що зменшує механічну напругу в перетворювачах при переході з освітленого боку в тінь і назад. До основних переваг сонячних батарей необхідно віднести: первинна енергія для отримання електроенергії знаходиться у космосі. Недоліки: 1. невеликий термін служби (разом із сонячним світлом на ФЕП потрапляють мікрочастинки, що летять із Сонця); 2. значно погіршується маневреність КА не тільки за рахунок значного збільшення моменту інерції КА, а також за рахунок зниження максимальних кутових швидкостей та прискорень, які визначаються міцністю панелей сонячних батарей; 3. складність розміщення панелей під обтічником; 4. висока вартість електроенергії через використання великої маси монокристалічного кремнію (вартість 1кВт * год електроенергії досягає 40 $); 5. відносно низький ККД (близько 15%); 6. Раціонально використовувати їх лише на навколоземних орбітах і для польоту на Марс та Венеру. 5.1. Фотоелектричні перетворювачі Сонячне випромінювання як первинне джерело енергії має ряд специфічних особливостей, які необхідно враховувати при визначенні раціональних шляхів та способів використання цього джерела. Можна виділити кілька параметрів Сонця як джерела енергії там місці, де проходить траєкторія польоту космічного апарату. Енергетичні характеристики – це залежність щільності потоку сонячного випромінювання від довжини хвилі та відстані до Сонця на поверхню перпендикулярну до потоку світла. Сонце має безперервний спектр випромінювання. Розподіл енергії у спектрі Сонця дуже нерівномірний і справжня крива спектральної щільності має досить складний вигляд, проте розподіл енергії у спектрі Сонця досить близький до спектру абсолютно чорного тіла при температурі 58000 К (рис. 5.1.). Основна частина енергії Сонця припадає на коротку частину спектра – синю та ультрафіолетову. Довга частина спектру, володіючи малою енергією, не здатна створювати електрику, але веде до нагрівання сонячних батарей, тому її намагаються позбутися. На перших сонячних батареях використовували захисне покриття синього кольору (що не пропускає червону та інфрачервону частину спектру), в даний час фотоперетворювачі стають прозорими для цієї частини спектру. 2500 Питома енергія 2000 1500 1000 500 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Довжина хвилі, мкм Мал. 5.1 Спектральна характеристика сонячного випромінювання 48 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» З огляду на кінцеві та досить великі розміри Сонця сонячні промені не паралельні і мають деякий кутовий параметр. Цей параметр є особливо важливим, коли концентрують сонячну енергію. Таблиця. Енергетичні та геометричні характеристики сонячного випромінювання Параметр Меркурій Енергія Е, 9250 Вт/м2 Кут, ψ, 81 кутові с. Венера Земля Марс Юпітер Сатурн 2730 1373610 52 15.4 44 32 21 7 4 З таблиці видно, що використовувати сонячне випромінювання раціонально в межах Венера-Марс. Основними корисними видами енергії, що використовуються на борту, є електрична, механічна, теплова та світлова. Різноманітна бортова апаратура споживає переважно електричну енергію. Необхідно відзначити, що сонячне випромінювання - це єдине первинне джерело, енергія якого може бути безпосередньо перетворена на всі корисні види енергії (рис. 5.2). 49 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Сонячне світло Фотоперетворювачі Електрика Сонячні джерела тепла Сонячне вітрило Прямі перетвор. тепло Машинні перетвор. Рис. 5.2. космосі Концентратори Світло Механічна енер. Схема основних шляхів перетворення сонячної енергії в якості перетворювача світло-електрика найбільшого поширення набули перетворювачі на основі pn - переходу, що виготовляються з кремнію і, рідше, арсеніду галію. Фотоелектричний перетворювач (ФЕП) є плоскою пластиною, розміром від 20*10 мм до 180*180 мм. В основі ФЕП лежить pn – перехід, який утворюється відповідними напівпровідниковими пластинами (рис. 5.3, поз. 3 та 4). Зверху ФЕП закритий захисним покриттям 1. Захисне покриття виконує кілька функцій: а) захищають перехід від застосування домішок у напівпровідники (разом з потоком сонячного світла рухаються потоки мікрочастинок); б) поверхня захисного покриття повинна мати малий коефіцієнт відображення, щоб енергія сонячних променів використовувалася якнайповніше; в) донедавна захисне покриття було синього кольору для захисту від червоної частини спектру. В даний час захисне покриття виконується прозорим для червоної частини спектру. Струмознімач 2 (рис.5.3.) повинен, з одного боку, розташовуватися по всій поверхні для зменшення перехідного опору. З 50 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» інший – його площа повинна якнайменше закривати напівпровідник. Насправді струмознімач 2 виконується як смужок металу, що займає близько 11% площі ФЭП (11% ФЭП не освітлені Сонцем і виробляють електроенергію). Сам ФЭП найчастіше виконується із двох напівпровідників n і p – типів, причому n напівпровідник робиться тонким (рис.5.3, поз.3) у тому, щоб світло проходив крізь нього не витрачаючи свою енергію, й у другому товстому шарі (рис.30 , Поз. 4) віддавав енергію, вивільняючи носій. Товщина р-шару повинна бути більшою за довжину вільного пробігу фотона світла (близько 0.5 мм.). В даний час нижній струмознімач 5 роблять дзеркальним і товщина р-напівпровідника зменшується вдвічі. Нижній струмознімач 5 для сонячних батарей супутників низьколітають робиться суцільним і дзеркальним з обох боків. З'ясувалося, що відбите від земної поверхні світло і тепло розігрівають ФЕП і зменшують його енергію на 20%. В останніх розробках ФЕП застосовують три шари напівпровідників, використовується енергія, відбита від Землі, віддача ФЕП збільшується відповідно на 20%. Принцип роботи ФЕП заснований на тому, що фотон світла, пройшовши через тонкий n - напівпровідник, у товстому р - шарі віддає свою енергію, створюючи пару електрон - дірка, які переходять у відповідну область. 51 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» 1 2 3 4 5 Рис. 5.3 Структура фотоелектричного перетворювача 1 - захисне покриття, 2 - струмознімач, 3 - n-напівпровідник, 4 - p-напівпровідник, 5 - струмознімач та металеве дзеркало. ЕРС кремнієвого ФЕП на рівні орбіти Землі (потік світла перпендикулярний пластинці ФЕП) становить близько 0.6 В. Вольтамперна характеристика ідеального ФЕП є сукупністю характеристик джерела напруги (величина напруги не залежить від струму навантаження) і джерела струму (величина струму не залежить від опору навантаження) (Мал. 5.4.крив. 1). Падіння напруги зі зростанням струму навантаження обумовлено наявністю опорів струмознімачів і напівпровідника. При короткому замиканні ФЕПу струм обмежений, оскільки його величина визначається кількістю фотонів. Така характеристика ФЕП з одного боку хороша, оскільки неможливо вивести його з ладу навіть коротким замиканням. З іншого боку, іноді потрібно трохи збільшити струм, але ФЕП цього може зробити і видає нульове напруга, тобто відключає навантаження. Фотоелектричні модулі із захисним покриттям із текстурованого загартованого скла на базі монокристалічних 52 Напруга, В елементів мають високий ККД 1 0.6 2 0.4 0.2 0 0 0.01 0.02 Щільність струму 0.03 А/см2 Рис.5.4. Вольтамперна характеристика кремнієвого ФЕП 1 – ідеальний ФЕП, 2 – реальний ФЕП. ККД сонячних батарей вдалося довести до рекордного значення 42,8 відсотка. Попередній рекорд становив 40,7 відсотка, але для області, де виграш у 0,2 відсотка – норма, а в один відсоток – прорив, це дуже значний крок. Для досягнення результату знадобилися об'єднані зусилля цілої низки лабораторій, дослідницьких центрів та комерційних підприємств. Кінцевою метою є створення дешевої портативної сонячної батареї. Перед вченими поставлено завдання довести ККД до 50 відсотків. В даний час запускається наступна стадія проекту: перехід від лабораторних досліджень до створення працюючого прототипу. Передбачається, що це триватиме три роки і вимагатиме близько ста мільйонів доларів. 53 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Основні втрати енергії в сонячних батареях пов'язані з відображенням частини сонячного випромінювання від поверхні, проходженням частини випромінювання через перетворювач без поглинання, внутрішнім опором перетворювача та іншими фізичними процесами. У кремнієвій батареї, створеній університетом Делавера, для зменшення втрат сонячне світло розщеплюється спеціальною оптичною системою на три області з різним рівнем енергії та спрямовується на три осередки різної чутливості: високої, середньої та низької. 5.2. Сонячні батареї космічних літальних апаратів являють собою складні електромеханічні пристрої, що забезпечують електричне з'єднання ФЕП, їх розміщення на єдиній несучій основі, міцність і стійкість всієї конструкції при вібрації та маневрах, розміщення під обтічником, можливість розкриття, монтажу та орієнтації в умовах. Сонячні батареї (СБ) бувають орієнтовані та неорієнтовані. Орієнтація СБ може здійснюватися за однією або двома координатами. Неорієнтовані СБ жорстко кріпляться до корпусу КА або є складовою корпусу КА. Залежно від механічних характеристик несучої опори, або підкладки, СБ поділяють на конструкції з жорсткою, напівжорсткою та гнучкою несучими поверхнями. Жорстка несуча конструкція СБ виконується у вигляді крила, на яке накладаються ФЕП, має високі резонансні частоти та малі прогини панелей. Питома потужність таких СБ – 20-40 Вт/кг конструкції. Гнучкі сонячні батареї мають підкладку з нульовою жорсткістю вигину, розгортається та утримується в робочому положенні за допомогою розкладних щоглів, балок або пантографів. Конструкція СБ з гнучкою поверхнею, що несе, можуть бути двох типів: згортані або рулонні, складні або пакетні. Питома потужність – 40-80 Вт/кг. Основний внесок у масу СБ дають ФЕП. Тому актуальним є завдання зменшення їхньої товщини та збільшення ККД. Найбільш перспективні в цьому відношенні ультратонкі ФЕП (до 50мкм), застосування ФЕП великих розмірів. Очікується збільшення питомої потужності до 200Вт/кг. 54 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Для отримання необхідної напруги та струму ФЕП доводиться з'єднувати послідовно та паралельно. У сонячних батареях старого типу з'єднувалося до кількох сотень тисяч елементів. Це призводило до великої ваги сполучних проводів, але при відмові до 80% ФЕП батарея продовжувала працювати. Використовувані нині ФЭП мають великі розміри та створюють струм до 6А однією елемент. Для отримання напруги 27 і струму 200А необхідно послідовно з'єднати 54-55 елементів і паралельно 34 гілки. Таким чином, сонячна батарея містить лише 1870 елементів. При електричному з'єднанні ФЕП виникає дилема: робити всі з'єднання (як послідовні, так і паралельні) - отримуємо високу надійність СБ, але більшу масу, якщо послідовно з'єднувати всі 54-55 ФЕП і ці «гілки» з'єднувати паралельно – отримуємо мінімальну масу, але і низьку надійність, і мінімальний термін служби. Друга проблема: при використанні СБ взаємодія струму, що тече по сполучних проводах СБ і магнітним полем Землі призводить до виникнення сили та моменту, що викликає розворот КА. Третя проблема пов'язана із статичною електризацією панелей СБ. Поступове накопичення заряду статичної електрики на поверхні СБ може викликати пробій і псування ФЕП. Для усунення цього явища на панелі СБ наклеюють струмопровідні плівки (зниження ККД). 5.3 Космічні фотоелектричні перетворювачі та сонячні батареї Підвищення вимог до бортових систем космічних апаратів (КА) призводить до необхідності створення сонячних батарей (СБ), які мають більш високі енергетичні та експлуатаційні характеристики зі збільшеним ресурсом роботи. Найбільш перспективним шляхом вирішення цих завдань є створення СБ на основі фотоелектричних перетворювачів з арсеніду галію та споріднених з'єднань. Сонячні фотоелектричні перетворювачі (ФЕП) на основі арсеніду галію забезпечують суттєве збільшення ККД, питомої енергозйомки та радіаційної стійкості космічних СБ у порівнянні з батареями на основі кремнію. ФЕП на основі AsGa забезпечують: 55 ФЕП. Поліпшення радіаційної стійкості, що забезпечує збільшення терміну експлуатації СБ до 15 років на геостаціонарних орбітах. Можливість роботи при високих ступенях концентрування сонячного випромінювання за одночасного підвищення ККД до значень 30-35%. За останні десятиліття накопичено великий вітчизняний та зарубіжний досвід експлуатації космічних ФЕП та СБ на основі GaAs та з'єднань. Показано, що GaAs-ФЕП забезпечують збільшення ККД, питомої енергозйомки, радіаційної стійкості та інших параметрів порівняно з кремнієвими СБ. Великий коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання в арсеніді галію дозволяє зберегти високий ККД при зменшенні товщини структури ФЕП до величини менше 10 мкм, що забезпечує зниження більш ніж порядок витрати арсеніду галію і, як наслідок цього, зниження в 2-3 рази ваги сонячних батарей. У таких тонкоплівкових ФЕП із товщиною активної області близько 5 мкм можливе досягнення високої двосторонньої чутливості та підвищення на 20-25% енергознімання в космосі за рахунок використання аль-бедо Землі. ФЭП з GaAs поруч із підвищенням ефективності забезпечують також поліпшення радіаційної стійкості, що у 2 разу збільшує ресурс роботи космічних СБ. Як показали багаторічні дослідження з деградації космічних СБ під впливом радіаційного опромінення, ступінь деградації істотно залежить від властивостей орбіти космічного апарату (КА). Для низькоорбітальних КА (770 км) деградація СБ на основі кремнію та GaAs-GaAlAs становить відповідно 15% та 5% протягом 5 років перебування КА на орбіті. Для КА на геостаціонарних орбітах деградація становить 31% (Si) та 16% (GaAs) протягом 15 років перебування на орбіті. Для радіаційно-небезпечних орбіт (7400 км при куті нахилу 50°) деградація залишає 49% (Si) і 22% (GaAs) протягом 5 років перебування на орбіті. Тому застосування для енергопостачання КА батарей на основі GaAs дає значний економічний ефект порівняно з СБ на основі кремнію, незважаючи на високу вартість таких СБ. Надзвичайно важливою перевагою GaAs ФЕП є їх 56 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» здатність ефективно перетворювати 100-1000-кратно концентроване сонячне випромінювання. Це дозволяє знизити витрати GaAs напівпровідникових матеріалів пропорційно до ступеня концентрування і, отже, істотно знизити вартість "сонячної" електроенергії. Додатковими перевагами під час переходу до концентраторних СБ у космосі є: можливість організації захисту фотоперетворювача елементами конструкції концентруючої системи від іонізуючих випромінювань; можливість вибору теплового режиму ФЕП, що забезпечує термічний відпал радіаційних дефектів; покращення радіаційної стійкості ФЕП, що працюють при підвищеній щільності фотоструму, за рахунок фотонного та інжекційного "відпалу" радіаційних дефектів. У каскадних ФЕП може бути досягнуто суттєве збільшення ККД до 25-27% і до значень близько 30-35% при концентрованому опроміненні. За останні роки у ФТІ ім. . Додавання до цих ФЕП вузькозонних матеріалів на основі InP/InGaAs та AlGaSb/GaSb дозволило створити механічно стиковані каскадні ФЕП з ККД до 28%, що мають не тільки високу ефективність, але й підвищену радіаційну стійкість, що дозволить створювати на їх основі космічні СБ роботи. 5.4. Сонячні елементи виробництва заводу "Сонячний Вітер" 57 5.5 Зовнішній вигляд ФЕП, що випускаються заводом «Сонячний вітер» Завод "Сонячний Вітер" (Краснодар) виробляє фотоелектричні елементи на основі монокристалічного кремнію, як p-типу, так і n-типу, за власною технологією (рис.5.6), що забезпечує високі параметри елементів та широкий діапазон застосування за порівняно низькою ціною. Елементи мають структуру: Мал. 5.6. Структура ФЕП 1 - текстура з антивідбивним покриттям 2 - n+ (p+) - Si, 3 - p(n) - Si, 4 - p+ (n+) - Si, 5 - метал, 6 - сонячне світло. Всі елементи, як n-, так і p-типу, прозорі для інфрачервоної області спектру, що призводить до меншої нагрівальності елементів на сонці та відповідно до збільшення їх ефективності (рис.5.7). 58 1-сонячне світло 2 – інфрачервоні промені Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» 5.7. ФЕП зі структурою, що пропускає червону частину спектру Компанія «Сонячний Вітер» одна з перших у світі розпочала промисловий випуск сонячних елементів із двосторонньою чутливістю на кремнії p- та n-типу. Фірма виробляє різні модифікації елементів на основі псевдоквадрату (рис. 5.5) з розмірами: 103.5×103.5 мм, 125×125 мм, 156×156 мм, а також їх частини. Типові вольт-амперні характеристики: на прикладі 12 Рис. 5.8. Вольтамперні характеристики ФЕП сонячного елемента 125x125 із кремнію з низьким (поз.2) та високим (поз.1) питомим опором представлені на рис.5.8 Таблиця. Електричні характеристики сонячних елементів: Діа-Ток Потужний Розмір, Мах Напряже - Мах метр, КЗ, ня ХХ, Вість,В мм напр.,В струм,А А мм т 59 -Cервис» 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 – В даний час в основному випускаються псевдоквадратні фотоелектричні елементи розміром сторони від 100 до 175 мм. У продажу є окремі модулі фотоелектричні пікової потужністю від 5 до 160 Вт. Модулі більшої потужності (до 200 Вт) виготовляються на замовлення. Усі модулі мають освітлене скляне покриття та міцну рамку з алюмінію. У сонячних батареях із захисним покриттям із звичайного скла застосовуються фотоелектричні елементи з ККД від 12% і вище (в середньому 13-16%). 6. Вторинні джерела електроенергії Вторинні джерела перетворюють напругу однієї величини та частоти на напругу іншої величини та частоти. Для забезпечення роботи різної бортової апаратури потрібно мати кілька напруг. Найзручніше отримати їх, використовуючи змінну напругу, тому на борту стоїть перетворювач постійного струму змінний 500(1000)Гц, 40В. Існує 2 способи перетворення: динамічний та статичний перетворювачі. Динамічний перетворювач являє собою з'єднання в одній машині двигуна постійного струму та змінного генератора. Регулятор напруги та частоти такої машини представляє складний пристрій і становить близько половини маси перетворювача. 60 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Недоліки: 1. не працює в умовах вакууму, 2. створює великі перешкоди електронній апаратурі, 3. створює вібрації, 4. вимагає постійного обслуговування, 5. велика польотна маса , 6. низький ККД; 7. недостатньо висока надійність. В даний час для КА створені надійні статичні транзисторні перетворювачі постійного струму в змінний (інвертори) потужністю кілька кіловат, що перевершують за основними параметрами електромашинні перетворювачі. ККД транзисторних перетворювачів може досягати 60-70%. У порівнянні з електромашинними, статичні перетворювачі мають наступні переваги: ​​час виходу на робочий режим менше в 5-10 разів і становить частки секунди; у кілька разів менші за пускові струми; краща якість перехідних процесів; відсутні акустичні шуми, створювані під час роботи перетворювача; великий термін служби, малі маси та габарити. До них пред'являються жорсткі вимоги: нестабільність частоти не гірша, ніж 10-4 відхилення амплітуди напруги не більше ±5% форма змінної напруги повинна відрізнятися від гармонійної не більше, ніж на кілька %. 80-1000С. Напівпровідникові прилади працюють у перетворювачах у ключовому режимі. Цей режим дозволяє за допомогою приладів щодо невеликої потужності керувати досить великою потужністю навантаження. Можливе подальше поліпшення вихідних характеристик статичних перетворювачів, завдяки застосуванню додаткових фільтрів, збільшення кількості перетворювальних каскадів тощо. 61 практично мало позначається збільшення їх габаритів і маси проти електромашинними перетворювачами. Технічні характеристики перетворювача наведені в таблиці 1. Прилад призначений для живлення спеціальної апаратури змінним струмом стабілізованої частоти 500 Гц і стабілізованою напругою 40 В. Таблиця 1 №№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Напруга живлення, 27+4 - напруг, Гц Вихідна напруга, В: однофазне трифазне Коефіцієнт нелінійних спотворень, % по однофазному виходу по трифазному виходу Вихідні потужності, ВА: однофазного виходу трифазного виходу Коефіцієнт потужності навантажень: однофазних (індуктивних) трифазних , кг, не більше Ресурс роботи, година 6.1. Структурна схема перетворювача 62 Назва параметра 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 ВАТ «ЦКБ «БІБ -Сервіс» Принцип побудови статичного перетворювача ґрунтується на поділі функцій між окремими елементами. На рис. 6.1. наведено функціональну схему статичного перетворювача. Вона складається з наступних блоків: 1 - кварцовий генератор, що задає; 2 – попередній підсилювач; 3 - фазорозщеплювач; 4 – попередній підсилювач; 5 - підсилювач потужності трифазної напруги; 6 - фільтр вихідної трифазної напруги; 7 – реле; 8 - регулятор трифазної вихідної напруги; 9 – схема затримки; 10 - підсилювач потужності однофазної напруги; 11 - фільтр вихідної однофазної напруги; 12 – діодний суматор; 13 - регулятор однофазної вихідної напруги; 14 – трифазний вихід; 15 – однофазний вихід. Кварцовий генератор, що задає 1 (рис.6.1.) призначений для вироблення змінної напруги стабільної частоти. Він включає (див. блок-схему рис. 6.2) кварцовий збудник 1, буфер-формувач 1 2 7 3 4 5 6 14 8 15 9 10 11 63 12 13 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Сервіс» Рис.6.1. Блок-схема статичного перетворювача 2, блоки дільників частоти 3 і вихідний підсилювач 4. Кварцовий збудник 1 (КЗГ) забезпечує задану стабільність вихідної напруги кварцового генератора, що задає, по частоті. На виході кварцового збудника формуються імпульси довільної форми з частотою 24 кГц, які надходять на вхід буферного каскаду. Буферний каскад 2 (рис.6.2) здійснює розв'язку кварцового збудника з дільником частоти та формує імпульси з крутим переднім фронтом для запуску дільників частоти. Блок дільників частоти 3 складається з чотирьох тригерних дільників частоти із загальним коефіцієнтом розподілу 16. З виходу блоку дільників частоти прямокутні 2 1 24 кГц 3 24 кГц 4 1.5 кГц 1.5 кГц Рис. 6.2. Блок-схема, що задає кварцового генератора. 1 – кварцовий збудник, 2 – буферний каскад, 3 – блок дільників частоти, 4 – вихідний підсилювач. імпульси з частотою проходження 1,5 кГц надходять на вхід вихідного підсилювача 4, де вони посилюються за потужністю і надходять на вхід фазорозщеплювача 3 (рис.6.1.). Попередній підсилювач 2 (див. рис.6.1) служить для посилення вихідної напруги кварцового генератора, що задає 64 Copyright ВАТ «ЦКБ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» виключає реакцію входу фазорозщеплювача на вихід КЗГ. Працює попередній підсилювач у ключовому режимі. Фазорасщепитель 3 (рис.6.1) призначений отримання трьох напруг прямокутної форми частотою 500 Гц, зрушених по фазі на 120 градусів. Стабільність частоти фазорозщеплювача забезпечується синхронізацією його від кварцового генератора, що задає. Попередній підсилювач 4 (рис.6.1.) призначений для посилення сигналу фазорозщеплювача. Він є дільником на 3. Підсилювачі потужності 5, 10 призначені для посилення по потужності однофазної і трифазної напруги. Трифазний підсилювач потужності складається із трьох підсилювачів на транзисторах, виконаних за двотактною схемою з трансформаторним виходом. Транзистори працюють у режимі ключа, вихідні обмотки трансформаторів з'єднані за схемою "трикутник". Запуск транзисторів підсилювача потужності провадиться прямокутними імпульсами. Фільтри вихідного однофазного 11 і трифазного напруги 6 перетворюють прямокутні напруги підсилювачів потужності в синусоїдальні. Вони складаються з дроселів та конденсаторів, які утворюють послідовний коливальний контур. Цей контур налаштовується на резонанс на основну гармоніку. Регулятори однофазної 13 і трифазної напруги 8 призначені для стабілізації вихідних однофазної і трифазної напруги шляхом впливу на напруги живлення однофазного і трифазного підсилювачів потужності. Вони виконані за бруківкою. При створенні такого перетворювача всі ці вимоги поділяються на різні елементи. Джерелом коливань є кварцовий генератор, який виробляє коливання довільної форми, але стабільної частоти 24кГц. Нестабільність становить 10-4...10-6%. Оскільки виготовити кварц на частоту 500Гц неможливо з метою зменшення ваги, кварцовий генератор генерує частоту 24кГц. Потім ця частота поділяється у 16 ​​разів. 65 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» З виходу дільника отримуємо прямокутну напругу з частотою 1500Гц. За допомогою розщеплювача фаз напруга ділиться в 3 рази і зсувається на 120 º, отримуємо трифазну напругу прямокутної форми. Три попередні підсилювачі доводять цю напругу до потрібної величини, необхідної для управління підсилювачами потужності. Три підсилювачі потужності забезпечують необхідну вихідну потужність, і після фільтрів отримуємо напругу синусоїдальної форми. Вимірювач напруги визначає відхилення напруги від заданої величини та керує регулятором напруги. Якщо напруга, що вимірюється, виходить за задане значення, система контролю і сигналізації (СКІС) вимикає цей перетворювач і включає резервний. Крім того, на СКІС потрапляє сигнал із кварцового генератора. Взагалі, у складі статичного перетворювача використовується 2 кварцові генератори. Якщо один із них відмовив, то СКІС включає інший. Всі процеси в даному перетворювачі відбуваються з напругами прямокутної форми, тобто транзистори працюють у ключовому режимі, мають два стани - включено-вимкнено. Такий режим характеризується тим, що потужність, що розсіюється на транзисторах, мала. Це веде до збільшення ККД, зменшення радіаторів, зниження ваги всього перетворювача. Крім того, шляхом фільтрації з прямокутної напруги можна отримати гармонійне зі значно меншими спотвореннями. 6.2. Способи підвищення надійності статичного перетворювача Як правило, перетворювач є джерелом живлення життєво важливих систем і від його надійності залежить існування КА. Підвищення надійності статперетворювача одне з найперших завдань під час його проектування. Існує 3 способи підвищення надійності 1. резервування виробу цілком, 2. резервування окремих блоків, 3. резервування лише ненадійних елементів (транзисторів). 66 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» На борту ставлять, як правило, два перетворювачі: основний та резервний. Перемикання з одного на інше відбувається автоматично за допомогою СКІС. Використання резервних блоків у складі одного приладу дозволяє значно підвищити його надійність. Однак, таке резервування пов'язане з труднощами визначення блоку, що відмовив, відключенням несправного і включенням резервного, оскільки самі комутують елементи можуть виявитися менш надійними. У розглянутому перетворювачі резервується лише кварцовий генератор. Резервування ненадійних елементів є найпоширенішим та раціональним, оскільки маса приладу збільшується на невелику величину, а ймовірність відмови зменшується суттєво. 7. Системи розподілу електроенергії Система розподілу електроенергії включає: електричні дроти, монтажне та установче обладнання, розподільні пристрої, комутаційну апаратуру, пристрої захисту від перешкод та статичної електрики, прилади контролю за роботою джерел та споживачів. За призначенням і кількістю вхідних елементів система розподілу електричної енергії є найважливішою складовою електрообладнання КА і значною мірою визначає його технічні та експлуатаційні показники. Важливість і складність функцій, що здійснюються системою розподілу електричної енергії, а також специфічність умов її експлуатації, висувають до цієї системи високі вимоги, виконання яких повинно гарантувати надійність і безвідмовність постачання електроенергією споживачів КА. Існує тип 3 систем розподілу: централізоване, децентралізоване та комбіноване. Централізована система електропостачання КА характеризується тим, що всі джерела підключаються до одного розподільного пристрою (рис. 7.1), що називається центральний розподільний пристрій (ЦРУ). На рис. 7.1 два джерела електричної енергії І1 та І2 через запобіжники F1 та F2 за допомогою 67 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» вимикачів В1 та В2 підключені до центрального розподільчого пристрою. Від ЦРУ отримують харчування усі споживачі Пi. Перевагою такої системи є те, що електропостачання можливе, поки діє хоча б одне джерело електроенергії. Недоліків централізованого розподілу значно більше. 1. Низька якість електроенергії, що визначається тим, що весь час відбувається включення та вимкнення споживачів. Звідси стрибки напруги. 2. Важка електрична мережа, оскільки необхідно тягнути дроти від джерел до ЦРУ, потім від ЦРУ всім споживачам. 3. У разі відмови ЦРУ всі споживачі виявляються знеструмленими. ЦРУ F1 В1 І1 F2 П1 В2 І2 П2 Мал. 7.1. Централізована система електропостачання Децентралізоване електроенергії в ідеалі передбачає, РУ1 має джерело І1 F1 B1 І2 В2 по т р розподіл що кожен споживач власної електроенергії. до РУ2 68 до пот р F2 Рис.7.2. Децентралізована система електропостачання КА Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Насправді в децентралізованій системі розподілу одне джерело обслуговує власну групу споживачів (рис. 7.2) через власні розподільні пристрої. Достоїнствами такої системи є дещо краща якість електроенергії (менше споживачів, менше стрибки напруги) та зменшення ваги мережі (джерело та споживачі розташовуються поруч). Недолік у цій системі один, але істотніший – при виході з ладу джерела всі споживачі його групи залишаються без харчування. Така система використовується в основному при супутніх експериментах, коли група приладів живиться від окремого джерела, не пов'язаного із загальною мережею КА. Розглянуті системи розподілу є граничними. Насправді ніколи не використовуються такі системи. Реальні системи зазвичай проміжні. Комбіноване розподілення електроенергії F1 В1 РУ 1 П1 І1 В4 В5 В3 П3 F2 І2 П2 В2 РУ 2 П4 Рис. 7.3. Комбінована система розподілу електроенергії 69 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Розглянемо комбіновану систему розподілу електроенергії (рис. 7.3.) на основі двох джерел. Кожне джерело електричної енергії має у своєму ланцюгу захисну апаратуру, пристрій комутації та розподільний пристрій (наприклад, для джерела І1 захист F1 та розподільний пристрій РУ1). Найчастіше як розподільний пристрій використовується звичайна шина. До кожної шини підключено свою групу споживачів. При штатному режимі роботи система розподілу може працювати як децентралізована (включені В1 і В2) та як централізована (додатково включається В3). Останній режим виникає, наприклад, тоді, коли споживачеві, включеному на РУ, не вистачає електроенергії джерела І1. Вимикачі В4 та В5 необхідні при позаштатних ситуаціях. При відмові одного з джерел він відключається, а розподільні пристрої отримують електроенергію від одного джерела. Наприклад, вийшов з ладу джерело І1, В1 і В4 вимикається, а живлення РУ1 може отримувати через В3 або В5. У разі виходу з ладу розподільного пристрою це РУ відключається, а обидва джерела працюють на другий пристрій. Наприклад, вийшло з ладу РУ2. Вимикаються В2, В3 та В4, включені В1і В5. Таким чином, у комбінованій розподільній системі передбачено повне резервування як джерел, і РУ. Як чинити зі споживачами, які підключені до РУ, що вийшов з ладу? Споживачі розбиті на чотири групи (на рис. 7.3. умовно не показано апаратуру захисту та комутації споживачів). Споживачі групи П1 не впливають на продовження польоту та служать для забезпечення, наприклад, комфорту членам екіпажу (освітлення, опалення тощо). Вони розподіляються між РУ та підключаються до нас за допомогою однієї лінії. Споживачі групи П2 можуть підключатися до одного чи іншого РУ. Споживачі групи П3 постійно підключені до обох РУ, дроти від кожного РУ йдуть до споживача і в різних кабелях, як правило, по різних бортах КА. Крім того, ці споживачі безпосередньо підключені до якогось джерела. 70 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Споживачі групи П4, крім зазначеного для групи П3, мають власне «надварійне» джерело. Це переважно піротехнічні засоби. Наприклад, не можна здійснити спуск апарата, що спускається, не відділивши його від приладно-агрегатного відсіку. Таким чином, система має високу надійність та гнучкість роботи. Реально на борту КА таких систем кілька (система постійного струму первинних джерел електроенергії, система змінного струму, система буферних джерел), що відрізняються кількістю споживачів, ступенем їх важливості для надійності КА і т.д.. 8. Електрична мережа вимог. 1) Забезпечення надійного та безперебійного постачання електроенергією споживачів у будь-яких умовах експлуатації. Це завдання вирішується спільною побудовою конфігурації мережі, системи розподілу та захисту. 2) Забезпечення високої якості електроенергії, що отримується споживачами. Це викликано тим, що багато споживачів є критичними до величини напруги (особливо зниження) або частоти. 3) Забезпечення захисту обладнання від перешкод, що виникають під час роботи електрообладнання та статичної електрики. Поширення перешкод можливе двома шляхами. Безпосередньо джерела перешкоди поширюються по проводах мережі. Для захисту від цього роду перешкод у мережі ставлять фільтри, що обмежують поширення перешкод через мережу. Другим шляхом виникнення перешкод є магнітні та електричні поля, що існують усередині КА. З електричної точки зору дроти мережі мають ємність і індуктивність, тому поля наводять в них ЕРС перешкод (у деяких випадках величини імпульсів перешкод можуть досягати більших значень). Особливу увагу доводиться звертати на статичну атмосферну електрику. Враховуючи велику швидкість руху КА, і незважаючи на малу кількість зарядів, потенціал на частинах корпусу КА може досягати більших значень. Тому частини конструкції КА 71 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» повинні бути електрично з'єднані не тільки за рахунок контакту, а за допомогою спеціальних шин металізації. Атмосфера Землі має свій потенціал, що змінюється з висотою. Це потрібно враховувати за маневрів КА. Вид електричної мережі визначається типом літального апарату, його призначенням, особливостями вимог системи електропостачання. Електричну мережу класифікують за призначенням, основним електричним параметрам системи електропостачання, роду струму, напрузі, частоті, конфігурації мережі тощо. За призначенням мережі поділяються на живильні (магістральні) та розподільні (вторинні розподільні). Поживною називається частина електричної мережі від джерела енергії до розподільного пристрою, а також ділянки між розподільними пристроями. Розподільна мережа служить передачі та розподілу електричної енергії від РУ до споживачам. Ділянка розподільної мережі, що живить групу споживачів від РУ через загальний апарат захисту, називається фідером. За основними електричними параметрами мережі поділяються на мережі постійного струму (27 В), трифазні мережі (40 В, 500 або 1000 Гц) та однофазні мережі змінної напруги (40 В, 500 Гц). Мережі постійного струму застосовуються, як правило, у первинних системах. За системою передачі електроенергії мережі поділяються на двопровідні незаземлені, двопровідні заземлені та однопровідні мережі постійного та однофазного змінного струму та три чотирипровідні для трифазних ланцюгів. Двопровідна незаземлена (рис. 8.1. поз.1) мережа має важливу перевагу – при замиканні одного з проводів на корпус мережа продовжує функціонувати, але мережа важка (два проводи – прямий «плюс» та зворотний «мінус»). Зазвичай у мережі в якості буфера використовується акумулятор, що має мінімальний внутрішній опір, тому рівень перешкод у мережі (між проводами) невеликий. Основні перешкоди виникають між мережею та корпусом, їхній рівень досить високий. Комутаційна та захисна апаратура включається в один плюсовий провід. Двопровідна заземлена мережа з'єднується з корпусом КА в одній точці. Вона також важка, але рівень перешкод у ній значно нижчий. Істотний недолік цієї мережі у тому, що з замиканні на корпус плюсового дроти мережу знеструмлює споживач. 72 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» В однопровідній мережі (рис.8.1, поз. 3) як зворотний провід використовується корпус КА. У цьому випадку мережа майже вдвічі легша, якість електроенергії вища, оскільки електричний опір корпусу значно менший від мережевого дроту. мережа І П І П І П Іс.8.1. Типи мереж 1 – двопровідна незаземлена мережа; 2 – двопровідна заземлена мережа; 3 – однопровідна мережа. Однопровідна мережа використовується в багатьох транспортних системах і зветься «літаковою». Для ракетно-космічної техніки (РКТ) характерні процеси розстикування. Під час повільного розсування блоків КА між ними при однопровідній мережі горітиме дуга, тому однопровідна мережа до останнього часу не використовувалася в РКТ. Багаторазова космічна система "Шаттл" використовує однопровідну мережу, отримуючи значну економію в масі проводів. Трипровідна мережа з нейтраллю, з'єднаною з корпусом КА, дозволяє включати споживачі як на фазну, так і лінійну напругу. Залежно від системи розподілу мережі класифікуються на централізовані, змішані, децентралізовані та роздільні. 9. Комутаційна апаратура Комутаційна апаратура служить для управління джерелами та споживачами електричної енергії. Вона поділяється на апаратуру прямої (ручної) та дистанційної дії. Апаратура прямої дії – кнопки, перемикачі, вимикачі, кінцеві та шляхові 73 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» вимикачі – призначена для управління в ланцюгах невеликої потужності на населених КА. Вимикачі та перемикачі бувають трьох типів: перекидні, натискні та поворотні. Вони служать для замикання чи розмикання ланцюгів тривалий час. За кількістю комутованих ланцюгів вимикачі та перемикачі можуть бути одноланцюжковими, дво- та триланцюжковими. Кінцеві вимикачі та перемикачі належать до апаратів натискної дії, тільки натискання здійснюється не екіпажем, а спеціальним пристроєм електрофікованого механізму. Кінцеві вимикачі служать для фіксованого зупинки механізму при досягненні їх вихідними пристроями крайніх положень, блокування, сигналізації, програмного управління механізмами. Кінцеві вимикачі часто використовуються для сигналізації стикування КА, відділення будь-яких блоків, закриття люків та дверей. Дистанційна апаратура включає електромагнітні (контактні, реле) і електронні (безконтактні) пристрої. Основу реле складає розімкнена магнітна система 1 3 4 (рис.9.1.), рухомий якорець 3, який під дією магнітного поля, створюваного струмом котушки 5. Рис.9.1. Пристрій реле 1 – магнітний провід 2 – зворотна пружина 2 3 – рухомий якорь 5 4 – контактна група 5 – обмотка 1 повертається, замикаючи контакти 4. При вимкненні живлення обмотки 5 пружина 2 повертає якорь у вихідне положення. У космічній техніці, у зв'язку з особливостями середовища існування КА, крім звичайних реле використовуються спеціальні. Звичайні реле використовуються в герметичних кабінах, оскільки в умовах вакууму дугу, що виникає при розмиканні контактів, погасити неможливо. 74 Copyright ВАТ «ЦКБ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Для роботи у вакуумі використовуються спеціальні реле, що поміщаються у скляну колбу, або реле, що використовують геркони. 1 2 3 4 Мал. 9.2. Влаштування геркона 1-скляний корпус, 2 – рухомий контакт, 3 – магнітик, 4 – нерухомий контакт. + N 1 2 3 4 Мал. 9.3. Пристрій поляризованого реле Геркон є скляною трубкою (рис.9.2,1), наповнену нейтральним газом, в якій розташована контактна група 2 і 4. На одному з контактів прикріплений постійний магнітик 3. Якщо навколо геркона створити магнітне поле, то контакт 2 замикається з контактом 3. 75 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Включений стан розглянутих реле відбувається лише тоді, коли тече струм по обмотці. Це нераціональна витрата електроенергії та надмірне виділення тепла. Реле, яке зберігає одне з двох положень без протікання струму за обмотками, називається поляризованим. Поляризоване реле немає поворотної пружини, а рухливий якорець є постійним магнітом (рис.9.3, поз.3). При подачі живлення на ліву обмотку 1, магнітний якорь перекидається вліво, магнітний потік, створюваний якорем в магнітній системі 2 утримує якорець в новому положенні після зняття живлення з обмотки 1. Сила утримання якоря в одному з положень така, що для перекидання необхідне навантаження понад 150g. Приклад електронного комутаційного пристрою розглянуто у розділі "Захистна апаратура". 10. Захисна апаратура Підвищення надійності системи енергопостачання КА досягається застосуванням захисної апаратури, що забезпечує відключення (ізоляцію) несправного елемента. Під селективністю захисту розуміють її здатність із усіх елементів системи виділити несправний та ізолювати його. Основним класифікаційним параметром захисту є електричний параметр: струм, напруга та потужність. Причиною підвищення струму може бути лише споживач, тому потрібно захистити від несправного споживача мережу та джерело електроенергії. Захист джерела – нове завдання порівняно із земними джерелами. У політ, на його виконання береться певна кількість енергії. Якщо вона витрачатиметься нераціонально (живлячи несправний споживач), її може вистачити на виконання завдань польоту. Захист по напрузі має бути подвійним. Перевищення напруги веде до того, що споживачі будуть перегріватися, оскільки потужність, що виділяється, пропорційна квадрату напруги. Напівпровідникові елементи пробиваються підвищеною напругою. Термін служби більшості електричних пристроїв обернено пропорційний квадрату напруги. 76 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Знижена напруга призводить до відмови електронної апаратури, електричні двигуни перегріваються. Незважаючи на все сказане захист напруги практично не використовується на борту КА. Це тим, що використовувані на борту первинні джерела електроенергії у принципі що неспроможні видати напруга більше певного, тому ставити захист від перевищення напруги немає сенсу. В даний час з'явилася тенденція збільшення терміну служби сонячних батарей за рахунок надмірності числа елементів, за рахунок надмірності напруги на початку експлуатації з тим, щоб до кінця експлуатації напруга, що видається сонячною батареєю, повинна бути номінальною. Протягом всього часу експлуатації напруга підтримується номінальною за допомогою відповідного перетворювача, у разі відмови якого напруга може перевищити допустимі значення. В цьому випадку необхідний захист від перевищення напруги. Захист від зниженої напруги не здійснюється, дистанційна комутаційна апаратура налаштовується на напругу включення 19 В. Якщо в мережі напруга нижче за цю величину, споживачі не включаються. Захист потужності практично не застосовується, але іноді використовують захист від перегріву. За кількістю спрацьовувань захист буває: одноразовий та багаторазовий. Одноразовий захист (запобіжники) після спрацьовування стає непридатним для подальшого використання. Такий захист не можна визначити струм спрацьовування. Він визначається побічно. З партії беруть певний відсоток, визначають струми спрацьовування, якщо вони вкладаються у норми, партія визнається придатною. У зв'язку з неможливістю визначити справжній струм спрацьовування кожного приладу, допуск на прилад роблять більшим +/- 15%. Одноразовий струмовий захист – запобіжники. Запобіжник типу скляний СП складається зі скляної трубки 2, металевих штампованих наконечників 1 і каліброваного дроту 3 (рис.10.1). Струм спрацьовування запобіжників Iкрит становить півтора номінального струму, зазначеного на запобіжнику. Якщо на 77 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» запобіжнику вказано струм 2 А, то запобіжник спрацює за струму 3А (+15%...-15%). Iкріт. = 1,5 * Iном. Це тим, що споживачеві «дозволено» споживати струм на 20% більше номінального. Мінімальне значення струму спрацьовування Іср.хв. = Iкрит * 0.85 = Iном. *0.85*1.5 = 1.275 Iном, тобто між максимально допустимим струмом споживача та мінімальним струмом спрацьовування запобіжника проміжок у 0.075 Iном на непередбачені Рис. 10.1. Скляний запобіжник 1 – металевий штампований ковпачок, 2 – скляний корпус, 3 – дріт, що перегорає. Рис. 10.2. Плавка вставка обставини (підвищення температури навколишнього середовища тощо). Для підвищення контакту запобіжника з арматурою його роблять у вигляді «ножа» (рис. 10.2.) Для великих струмів характерні споживачі, що мають велику індуктивну складову струму, що ускладнює гасіння дуги. Запобіжники для таких струмів мають точені ковпачки (для збільшення площі контакту), заповнення (рис.10.3, поз. 4) з матеріалу, що виділяє великий обсяг газу під час нагрівання. За рахунок газу при перегоранні дроту 3 підвищується тиск, дуга швидше гасне. 78 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Складнощі виникають при захисті споживачів, що мають великий пусковий струм (рис. 10.4.). Якщо запобіжник вибрати на пусковий струм, він не спрацює, коли струм перевищить номінальний. Якщо захист вибирати по номінальному струму споживача, запобіжник спрацює при пуску і такий споживач не вдасться включити. 1 2 3 4 Мал. 10.3. Запобіжник для великих струмів 1 – ковпачки точені, 2 – корпус виготовлений з електрокартону, 3 – дріт, 4 – матеріал, який при нагріванні виділяє велику кількість газу. Для захисту цих споживачів створено запобіжники, що складаються із двох частин: безінерційна та з тепловою інерцією. Такі запобіжники називаються інерційно-плавкими. Пружина 5 (рис. 10.4) не має теплової інерції і спрацьовує при струмі, що перевищує пусковий. Розрив електричного кола відбувається дуже швидко, тому дуга швидко гасне. Спай із двох пластин не встигає прогріватися при пуску (за рахунок великої маси) до розплавлення припою. Тільки якщо струм тривалий час перевищує номінальний, відбувається розплавлення. За рахунок пружини 5 верхня пластина 6 (рис.10.4) починає ковзати по нижній і в момент розриву набуває досить великої швидкості. Дуга швидко гасне. 79 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Рис. 10.4. Інерційно-плавкий запобіжник 1 – ковпачок, 5 – пружина, 6 – елемент з тепловою інерцією. Багаторазовий струмовий захист будується на використанні механічних конструкцій з використанням біметалевих елементів (автомати захисту) або на основі електронних схем з тиристорами як силові елементи. Електронний захист у багатьох випадках є і комутуючим. Оскільки опір вимкнених тиристорів надзвичайно великий (струм витоку становить від десятків мікроампер). На рис. 10.5. представлено схему, що пояснює принцип роботи такого захисту. У вихідному стані (рис.10.5.) тиристори Тв і Т0 вимкнені, струм через Потр дорівнює нулю, конденсатор розряджений. При подачі керуючого напруги на Т0 тиристор включається та його опір стає рівним нулю. (Рис. 10.6.). Струм, рівний струму Потр, тече через Т0 і через Ri. По ланцюгу R1 - C - Ri конденсатор заряджається до напруги мережі. Якщо струм Потр перевищує допустиме значення, з підсилювача УС надходить на електрод Тв, що управляє, напруга, достатня для включення тиристора. Опір Тв П від р R1 c 27В Tв T0 УС Ri Рис. 10.5. Схема багаторазового тиристорного захисту Потр – споживач, 80 R1 – резистор для зарядки конденсатора Пот р R1 c I П від р Ri Рис.10.6. стає рівним нулю і конденсатор З розряджається через Тв, Ri та Т0 (опір Тв дорівнює 0, рис.10.7.). Якийсь час струм конденсатора Ic перевищує струм споживача, тиристор вимикається, Потр знеструмлений. Оскільки R1 обрано досить великим, струм Тв, що протікає через нього, досить малий і Тв вимкнеться. Схема прийшла у вихідне становище. 81 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Потр c IПотр T0 IC Ri Рис.10.7. Диференціальний F2 F3 струмовий захист. F4 F5 При розгляді F1 П І1 F2 Д1 І2 Д2 F3 F1 І1 П І2 Рис. 10.8. Диференціальний струмовий захист. систем розподілу електроенергії були зазначені випадки, коли споживач отримував енергію від двох чи кількох джерел. 82 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» На рис. 10.8. (Верхній) показано включення такого споживача. Джерела І1 та І2 за допомогою своїх проводів з'єднані зі споживачем П. Послідовно з П включений запобіжник F1. Для виключення можливості замикань дротів від джерел на кінцях дротів стоять запобіжники F2-F3 b F4-F5. Схема має працювати в такий спосіб. Наприклад, при замиканні дроту на лінії від джерела І1 повинні вигоріти запобіжники F2 і F3. Споживач повинен харчуватися від джерела І2. Насправді, струм короткого замикання тече від І1 та І2. Оскільки допустимий розкид струмів спрацьовування запобіжників високий (15%), запобіжник F4 або F5 може спрацювати, відключивши споживач від справної лінії. І лише потім спрацює запобіжник F2. Споживач відключається від обох джерел. Захист не має селективності. Для виключення такого явища можна застосувати схему з діодами (нижній рисунок). У розглянутому нами випадку струм короткого замикання потече лише від джерела І1. Запобіжник F2 спрацює та відключить аварійну ділянку ланцюга. Споживач отримує енергію від джерела І1. Система електропостачання бортового комплексу космічних апаратів…………………………………………. 3 1. Структура системи електропостачання……………………... 4 2. Класифікація первинних джерел…………………… 6 83 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» 3. Хімічні джерела струму……………………………… 3.1. Загальні відомості про хімічні джерела струму (ХІТ) 3.2.Срібно-цинкові акумулятори…………………… 3.2.1. Основні техніко-експлуатаційні характеристики………………………………………………….. 3.2.2. Влаштування срібно-цинкових акумуляторів 3.3.3. Основні робочі характеристики срібноцинкового акумулятора………………………………………... 3.2.4. Характеристики деяких промислових срібно-цинкових акумуляторів…………………….…….. 3.3. Нікель-цинкові акумулятори…………………….….. 3.4. Літій-іонні герметичні призматичні та циліндричні акумулятори та батареї на їх основі….…. 3.5. Паливні елементи………………………………..…….. 3.5.1. Принцип дії……………………………. ..… 3.5.2. Класифікація паливних елементів………… 3.5.3. ВАХ паливного елемента……………………… 3.5.4. Влаштування рідинного паливного елемента. 3.5.5. Паливний елемент з іонно-обмінною мембраною (ІОМ)……………………………………………… 3.5.6 Енергетична система на базі ТЕ…………… 4. Термоелектричні генератори…………… …… … 5. Сонячні батареї………………………………………… 5.1. Фотоелектричні перетворювачі………………….. 5.2. Сонячні батареї ……………………………… 5.3 Космічні фотоелектричні перетворювачі та сонячні батареї……………………………………… 5.4 Сонячні елементи виробництва заводу "Сонячний Вітер"…………… ………………………………………………. 6. Вторинні джерела електроенергії……………… 6.1.Структурна схема перетворювача…………… 6.2.Способи підвищення надійності статичного перетворювача………………………………… … 7. Системи розподілу електроенергії…… ……..……….. 8.Електрична мережа…………………………………………… 9. Комутаційна апаратура……………………………… 10. Захисна апаратура …………………………………… Список літератури……………………………………….. 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 ВАТ «ЦКБ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-Сервіс» Список літератури 1. Енергетичні установки космічних апаратів. / С.А. Подшивалов, Е.І. Іванов та ін; під загальною ред. Д.Д. Невіровського В.С. Вікторова. -М.: Видавництво, 1981. - 223с. 85 Copyright ВАТ «ЦКЛ «БІБКОМ» & ТОВ «Агентство Kнига-сервіс» 2. Тузов, В.П. Електротехнічні пристрої літальних апаратів; Навч. посібник для авіац. неелектрич спец. вузів/ - М.: Вищ. шк, 1987. - 152 с. 3. Гриліхес, В. А. Сонячна енергія та космічні польоти / В. А. Гриліхес, П. П. Орлов, Л. Б. Попов. -М.: Наука, 1984. - 216 с. 4. Колтун, В. М. Сонячні елементи / В.М. Ковтун. - М.: Наука, 1987. 192 с. 5. Кравець, В. Г. Основи управління космічними польотами/В. Г. Кравець, В. Є. Любінський. - М.: Машинобудування, 1983. - 224 с. 5. Космічні енергосистеми / В. А. Ванке, Л. В. Лєсков, А. В. Лук'янов. - М.: Машинобудування, 1990. - 144 с. 6. Корлісс, У. Джерела енергії на радіоактивних ізотопах / У. Корлісс, Д. Харві, -М.: Світ, 1967. - 414 с. 7. Петрович, М.А Системи обладнання літальних апаратів. Лабораторний практикум / М. А. Петрович, Є. І. Давидов. - Самара: Ізвво Сам. держ. аерокосм. ун-ту, 2004. – 80 с. 8. Термоелектричні генератори, http://www.rif.vrn.ru/new/index.html. 9. Нікель-металгідридні акумулятори. 2006, e-battery.ru 10. Лаврус, В.С. Джерела енергії/В.С. Лаврус//НіТ, 1997 11. Твердооксидні паливні елементи; збірник науково-технічних статей. - Сніжинськ; изд - в РФЯЦ - ВНИИТФ, 2003. - 376 З. 12. Сонячні батареї ВАТ " Сатурн " в космічних програмах./ http://www.saturn.kuban.ru/2.html 13. Акумуляторна компанія "РИГЕЛЬ" 2004. / http://www.rigel.ru/rigel/akk/index.html 14. Сонячні елементи виробництва заводу «Сонячний вітер»./ [email protected] [email protected] 86 «Агентство Kнига-Сервіс» Навчальне видання Петровичев Михайло Олександрович Гуртов Олександр Сергійович СИСТЕМА ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСУ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ Навчальний посібник Технічний редактор А. Г. П о х о р о в верстка Т. Ю. Д епцова Доверстка Т. Ю. Д епцова Підписано до друку 22.10.07. Формат 60х84 1/16. Папір офсетний. Друк офсетний. Печ. л. 5,5. Тираж 120 прим. Замовлення. ІП-15/2007 Самарський державний аерокосмічний університет. 443086 Самара, Московське шосе, 34. Вид-во Самарського державного аерокосмічного університету. 443086 Самара, Московське шосе, 34. 87

Ростех
ВАТ "Концерн "Радіоелектронні технології"
КРЕТ розробив новий тип акумуляторів для роботи в космосі
Розробка конкурентоспроможної космічної техніки вимагає переходу нові типи акумуляторів, відповідальних вимогам систем електропостачання перспективних космічних апаратів.
В наші дні космічні апарати використовуються для організації систем зв'язку, навігації, телебачення, вивчення погодних умов та природних ресурсів.
Землі, освоєння та вивчення далекого космосу.
Однією з головних умов до подібних апаратів є точна орієнтація у космосі та корекція параметрів руху. Це значно підвищує вимоги до системи електропостачання апарату. Проблеми енергоозброєності космічних апаратів, і, насамперед, розробки щодо визначення нових джерел електроенергії, мають першорядне значення світовому рівні.
В даний час основними джерелами електроенергії для космічних апаратів є сонячні та акумуляторні батареї.
Сонячні батареї за своїми характеристиками досягли фізичної межі. Подальше їх вдосконалення можливе при використанні нових матеріалів, зокрема арсеніду галію. Це дозволить у 2-3 рази збільшити потужність сонячної батареї або зменшити її розмір.
Серед акумуляторів для космічних апаратів сьогодні широко використовуються нікель-водневі акумулятори. Однак енергомасові характеристики цих акумуляторів досягли свого максимуму (70-80 Вт * год / кг). Подальше їх покращення дуже обмежене і, крім того, потребує великих фінансових витрат.
У зв'язку з цим нині на ринку космічної техніки відбувається активне впровадження літій-іонних акумуляторів (ЛІА).
Характеристики літій-іонних батарей набагато вищі порівняно з акумуляторами інших типів при аналогічному терміні служби та кількості циклів заряд-розряд. Питома енергія літій-іонних акумуляторів може досягати 130 і більше Вт * год / кг, а коефіцієнт корисної дії з енергії - 95%.
Важливим фактом є і те, що ЛІА одного типорозміру здатні безпечно працювати при їх паралельному з'єднанні в групи, таким чином нескладно формувати літій-іонні акумуляторні батареї різної ємності.
Однією з головних відмінностей ЛІА від нікель-водневих батарей є наявність електронних блоків автоматики, які контролюють та керують процесом заряду-розряду. Вони також відповідають за нівелювання розбалансу напруг одиничних ЛІА, та забезпечують збирання та підготовку телеметричної інформації про основні параметри батареї.
Але все ж таки основною перевагою літій-іонних акумуляторів вважається зниження маси в порівнянні з традиційними батареями. За оцінками фахівців застосування літій-іонних акумуляторів на телекомунікаційних супутниках потужністю 15-20 кВт дозволить знизити масу батарей на 300 кг. Зважаючи на те, що вартість виведення на орбіту 1 кг корисної маси становить близько 30 тисяч доларів, це дозволить значно знизити фінансові витрати.
Одним із провідних російських розробників подібних акумуляторних батарей для космічних апаратів є ВАТ "Авіаційна електроніка та комунікаційні системи" (АВЕКС), що входить до КРЕТ. Технологічний процес виготовлення літій-іонних акумуляторів на підприємстві дозволяє забезпечити високу надійність та зниження собівартості.

ДЖЕРЕЛА ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ
проф. Лук'яненко Михайло Васильович
зав. кафедрою систем автоматичного управління Сибірського державного аерокосмічного університету імені академіка М.Ф. Решетньова

Вивчення та освоєння космічного простору вимагають розробки та створення космічних апаратів різного призначення. В даний час найбільшого практичного застосування отримують автоматичні непілотовані космічні апарати для формування глобальної системи зв'язку, телебачення, навігації та геодезії, передачі інформації, вивчення погодних умов та природних ресурсів Землі, а також дослідження далекого космосу. Для їх створення необхідно забезпечити дуже жорсткі вимоги щодо точності орієнтації апарату в космосі та корекції параметрів орбіти, що вимагає підвищення енергоозброєності космічних апаратів.
Однією з найважливіших бортових систем будь-якого космічного апарату, яка насамперед визначає його тактико-технічні характеристики, надійність, термін служби та економічну ефективність, є система електропостачання. Тому проблеми розробки, дослідження та створення систем електропостачання космічних апаратів мають першорядне значення, а їх вирішення дозволить вийти за питомо-масовими показниками та терміном активного існування на світовий рівень.
За останнє десятиліття провідними світовими фірмами зроблено порив у підвищенні енергоозброєності космічних апаратів, що дозволяє при тих же обмеженнях по масі апаратів, що накладаються існуючими носіями, безперервно збільшувати потужність корисного навантаження. Подібні досягнення виявилися можливими завдяки зусиллям, зробленим розробниками всіх компонентів бортових систем електропостачання, і, насамперед, джерел електроенергії.
Основними джерелами електроенергії для космічних апаратів нині є сонячні та акумуляторні батареї.
Сонячні батареї з кремнієвими монокристалічними фотоелектричними перетворювачами за питомо-масовими характеристиками досягли своєї фізичної межі. Подальший прогрес у розробці сонячних батарей можливий за умови використання фотоелектричних перетворювачів на основі нових матеріалів, зокрема, з арсеніду галію. Трикаскадні фотоелектричні перетворювачі з арсеніду галію вже застосовуються на платформі США HS-702, на європейській Spasebus-400 та ін., що дозволило більш ніж удвічі збільшити потужність сонячної батареї. Незважаючи на більш високу вартість фотоелектричних перетворювачів з арсеніду галію, їх застосування дозволить у 2-3 рази збільшити потужність сонячної батареї або за тієї ж потужності знизити відповідно площу сонячної батареї порівняно з крем'яними фотоелектричними перетворювачами.
В умовах геостаціонарної орбіти застосування фотоелектричних перетворювачів на основі арсеніду галію дозволяє забезпечити питому потужність сонячної батареї 302 Вт/м2 на початку роботи та 230 Вт/м2 наприкінці терміну активного існування (10-15 років).
Розробка чотирикаскадних фотоелектричних перетворювачів з арсеніду галію з ККД близько 40% дасть можливість питому потужність сонячної батареї до 460 Вт/м2 на початку роботи та 370 Вт/м2 наприкінці терміну активного існування. У найближчій перспективі слід очікувати суттєвого покращення та питомо-масових характеристик сонячних батарей.
В даний час на космічних апаратах широко використовуються акумулятори на основі нікель-водневої електрохімічної системи, однак енергомасові характеристики цих акумуляторів досягли своєї межі (70-80 Вт?ч/кг). Можливість подальшого покращення питомих характеристик нікель-водневих акумуляторних батарей дуже обмежені та потребують великих фінансових витрат.
Для створення конкурентоспроможної космічної техніки потрібен був перехід на нові типи електрохімічних джерел електроенергії, придатних для використання у складі системи електропостачання перспективних космічних апаратів.
На ринку космічної техніки зараз відбувається активне впровадження літій-іонних акумуляторів. Це зумовлено тим, що літій-іонні акумулятори мають більш високу питому енергію в порівнянні з нікель-водневими акумуляторами.
Основною перевагою літій-іонної батареї є зниження маси через вище співвідношення енергія-маса. Співвідношення енергія-маса літій-іонних акумуляторів вище (125 Вт?ч/кг) порівняно з максимально досягнутим для нікель-водневих акумуляторів (80 Вт?ч/кг).
Основними перевагами літій-іонних акумуляторних батарей є:
- зниження маси батареї через більш високе співвідношення енергія-маса (зниження маси для батареї становить ~40%);
- низьке тепловиділення та високий ККД з енергії (циклу заряд-розряд) з дуже маленьким саморозрядом, що забезпечує найпростіше управління при запуску, перехідній орбіті та штатній експлуатації;
- більш технологічний процес виготовлення літій-іонних акумуляторів у порівнянні з нікель-водневими акумуляторами, що дозволяє забезпечити хорошу повторюваність характеристик, високу надійність та зниження собівартості.
За оцінками фахівців фірми SAFT (Франція), застосування літій-іонних акумуляторних батарей на телекомунікаційних супутниках потужністю 15-20 кВт дозволить знизити масу батарей на 300 кг (вартість виведення на орбіту 1 кг корисної маси становить ~30 000 $).
Основні характеристики літій-іонного акумулятора VES140 (розроблений фірмою SAFT): гарантована ємність 39 А*год, середня напруга 3,6 В, напруга наприкінці заряду 4,1 В, енергія 140 Вт?год, питома енергія 126 Вт*ч/к , маса 1,11 кг, висота 250 мм та діаметр 54 мм. Акумулятор VES140 є кваліфікованим для космічного застосування.
У Росії на сьогоднішній день ВАТ «Сатурн» (м. Краснодар) розробив та виготовив літій-іонний акумулятор ЛІГП-120. Основні характеристики акумулятора ЛІГП-120: номінальна ємність 120 А?ч, середня напруга 3,64 В, питома енергія 160 Вт * год / кг, маса 2,95 кг, висота 260 мм, ширина 104,6 мм і глибина 44,1 мм. Акумулятор має призматичну форму, що дає істотні переваги за питомо-об'ємною енергією батареї порівняно з акумуляторами фірми SAFT. Варіюючи геометричними розмірами електрода, можна отримати акумулятор різної ємності. Дана конструкція забезпечує найвищі питомо-об'ємні характеристики батареї та дозволяє виконати компонування акумуляторної батареї, забезпечивши оптимальний тепловий режим.
Сучасні системи електропостачання космічних апаратів є складним комплексом із джерел електроенергії, перетворюючих і розподільних пристроїв, об'єднаних у систему автоматичного управління та призначених для живлення бортових навантажень. Вторинні джерела електроживлення є енергоперетворювальним комплексом, що складається з певної кількості ідентичних імпульсних перетворювачів напруги, що працюють на загальне навантаження. У традиційному варіанті як імпульсні перетворювачі напруги використовуються класичні перетворювачі з прямокутною формою струму і напруги ключового елемента і управлінням за допомогою широтно-імпульсної модуляції.
Для підвищення техніко-економічних показників системи електропостачання космічного апарату, таких як питома потужність, ККД, швидкодія, електромагнітна сумісність, нами запропоновано використовувати квазірезонансні перетворювачі напруги. Були проведені дослідження режимів роботи двох паралельно включених квазірезонансних перетворювачів напруги послідовного типу з комутацією електронного ключа при нульових значеннях струму та частотно-імпульсним законом управління. За результатами моделювання та дослідження характеристик дослідних зразків квазірезонансних перетворювачів напруги було підтверджено переваги цього типу перетворювачів.
Отримані результати дозволяють зробити висновок, що запропоновані квазірезонансні перетворювачі напруги знайдуть широке застосування в системах електроживлення цифрових та телекомунікаційних систем, контрольно-вимірювальної апаратури, технологічного обладнання, систем автоматики та телемеханіки, охоронних систем тощо.
Актуальними проблемами є вивчення особливостей функціонування джерел електроенергії космічного призначення, розробка їх математичних моделей та дослідження енергетичних та динамічних режимів.
Для цих цілей нами розроблено та виготовлено унікальне обладнання для дослідження систем електропостачання космічних апаратів, що дозволяє в автоматизованому режимі проводити різнобічні випробування бортових джерел електроенергії (сонячних та акумуляторних батарей) та систем електропостачання загалом.
Крім того, розроблено та виготовлено автоматизоване робоче місце для дослідження енерготеплових режимів літій-іонних акумуляторів та модулів батарей та апаратний комплекс для дослідження енергетичних та динамічних характеристик сонячних батарей з арсеніду галію.
Важливим аспектом є також створення та дослідження альтернативних джерел електроенергії для космічних апаратів. Нами проведено дослідження маховичного накопичувача енергії, що є супермаховиком суміщеним з електричною машиною. Маховик, що обертається у вакуумі на магнітних опорах, має ККД 100%. У двороторного маховичного накопичувача енергії утворюється властивість, що дозволяє реалізувати тривісну кутову орієнтацію. У цьому силовий гіроскоп (гиродин), як самостійна окрема підсистема, можна виключити, тобто. маховичний накопичувач енергії поєднує функції накопичувача енергії та силового гіроскопа.
Проведено дослідження електродинамічних тросових систем як джерела електроенергії космічного апарату. На сьогоднішній день розроблено математичну модель електродинамічної тросової системи для розрахунку максимальної потужності; визначено залежності енергетичних характеристик від параметрів орбіти та довжини троса; розроблено методику визначення параметрів тросової системи, що забезпечують генерацію заданої потужності; визначено параметри орбіти (висота та нахилення), при яких досягається найбільш ефективне використання тросових систем у режимі генерації енергії; досліджено можливості тросової системи при роботі в режимі тяги.

Добре видно 6 панелей сонячних батарей, що жорстко закріплені на корпусі. Для максимізації потужності такої установки необхідна постійна орієнтація корпусу апарату на Сонці, що вимагало розробки оригінальної системи керування орієнтацією

Система енергопостачання космічного апарату (система енергоживлення, СЕП) - система космічного апарату, що забезпечує електроживлення інших систем, є однією з найважливіших систем, багато в чому саме вона визначає геометрію космічних апаратів, конструкцію, масу, термін активного існування. Вихід із ладу системи енергопостачання веде до відмови всього апарату.

До складу системи енергоживлення зазвичай входять: первинне та вторинне джерело електроенергії, перетворюючі, зарядні пристрої та автоматика управління.

Параметри системи

Необхідна потужність енергетичної установки апарату безперервно зростає в міру освоєння нових завдань. Так перший штучний супутник Землі (1957 рік) мав енергоустановку потужністю близько 40 Вт, апарат Блискавка-1+ (1967 рік) мав установку потужністю 460 Вт, супутник зв'язку Яхсат 1Б (2011 рік) - 12 кВт.

Сьогодні більшість бортової апаратури космічних апаратів іноземного виробництва живиться постійною напругою 50 або 100 вольт. За необхідності забезпечення споживача змінною напругою або постійною нестандартною величиною використовуються статичні напівпровідникові перетворювачі.

Первинні джерела енергії

Як первинні джерела використовуються різні генератори енергії:

• , зокрема:

До складу первинного джерела входить не тільки власне генератор електроенергії, але й системи, що обслуговують його, наприклад система орієнтації сонячних батарей.

Часто джерела енергії комбінують, наприклад, сонячну батарею із хімічним акумулятором.

Сонячні батареї

На сьогоднішній день сонячні батареї вважаються одним із найнадійніших і досить добре відпрацьованих варіантів забезпечення космічного апарату енергією.

Потужність випромінювання Сонця на орбіті Землі становить 1367 Вт/м². Це дозволяє отримувати приблизно 130 Вт на 1 м2 поверхні сонячних батарей (при ККД 8 ... 13%). Сонячні батареї розташовують або на зовнішній поверхні апарату або на жорстких панелях, що розкриваються. Для максимізації енергії, що віддається батареями, перпендикуляр до їх поверхні повинен бути спрямований на Сонце з точністю 10...15˚. У разі жорстких панелей це досягається або орієнтацією самого КА або спеціалізованою автономною електромеханічною системою орієнтації сонячних батарей, при цьому рухомі панелі щодо корпусу апарату. На деяких супутниках застосовують батареї, що не орієнтуються, розташовуючи їх на поверхні так, щоб при будь-якому положенні апарата забезпечувалася необхідна потужність.

Сонячні батареї з часом деградують під дією наступних факторів:

• метеорна ерозія, що зменшує оптичні властивості поверхні фотоелектричних перетворювачів;
• радіаційне випромінювання, що знижує фотоедс, особливо при сонячних спалахах і при польоті в радіаційному поясі Землі;
• термічні удари через глибоке охолодження конструкції на затінених ділянках орбіти, нагрівання на освітлених і навпаки. Це руйнує кріплення окремих елементів батареї, з'єднання між ними.

Існує ряд заходів захисту батарей від цих явищ. Час ефективної роботи сонячних батарей становить кілька років, це один з факторів, що лімітують, що визначають час активного існування космічного апарату.

При затіненні батарей в результаті маневрів або входу в тінь планети, вироблення енергії фотоелектричними перетворювачами припиняється, тому систему енергоживлення доповнюють хімічними акумуляторами (буферні хімічні батареї).

Акумуляторні батареї

Найпоширенішими в космічній техніці є нікель-кадмієві акумулятори, тому що вони забезпечують найбільшу кількість циклів заряд-розряд і мають кращу стійкість до перезаряду. Ці чинники виходять перший план при термінах служби апарату понад рік. Іншою важливою характеристикою хімічного акумулятора є питома енергія, що визначає масові характеристики батареї. Ще одна важлива характеристика - це надійність, тому що резервування хімічних акумуляторів вкрай небажане через їхню високу масу. Акумулятори, що використовуються в космічній техніці, як правило, мають герметичне виконання; герметичність зазвичай досягається за допомогою метало-керамічних ущільнень. До батарей також висуваються такі вимоги:

• високі питомі масогабаритні характеристики;
• високі електричні характеристики;
• широкий діапазон робочих температур;
• можливість заряджання низькими струмами;
• низькі струми саморозряду.

Крім основної функції акумуляторна батарея може грати роль стабілізатора напруги бортової мережі, так як у робочому діапазоні температур її напруга змінюється мало при зміні струму навантаження.

Паливні елементи

Вперше цей тип джерела енергії був використаний на космічному апараті Джеміні у 1966 році. Паливні елементи мають високі показники за масо-габаритними характеристиками та питомою потужністю у порівнянні з парою сонячні батареї та хімічний акумулятор, стійкі до перевантажень, мають стабільну напругу, безшумні. Однак вони вимагають запасу палива, тому застосовуються на апаратах із терміном перебування у космосі від кількох днів до 1-2 місяців.

Використовуються в основному водень-кисневі паливні елементи, так як водень забезпечує найвищу калорійність і, крім того, вода, що утворилася в результаті реакції, може бути використана на пілотованих космічних апаратах. Для забезпечення нормальної роботи паливних елементів необхідно забезпечити відведення утворюються в результаті реакції води та тепла. Ще одним стримуючим фактором є відносно висока вартість рідкого водню та кисню, складність їх зберігання.