Содержание
Энергетическая система Международной космической станции / Хабр
Всю свою энергию МКС получает от Солнца. Как и Земля, станция находится на расстоянии в примерно 149 миллионов километров от ближайшей звезды. На этой дистанции возможно извлекать более киловатта энергии с каждого квадратного метра. Энергия на станции собирается солнечными панелями, которые используют фотоэффект для получения непосредственно электричества. Основными потребителями электроэнергии на станции являются системы терморегуляции, насосы, системы обработки воздуха, оборудование для связи.
На фермах американского сегмента МКС расположено восемь крыльев с солнечными панелями для выработки электроэнергии. Остальные беловатые прямоугольники — это не фотоэлементы, а радиаторы для рассеивания излишнего тепла. Каждое из восьми крыльев содержит по две панели, каждая из панелей состоит из 16400 ячеек, расположенных на примерно 105 квадратных метрах. Общая площадь всех 16 панелей составляет 1680 квадратных метров.
В начале эксплуатации вырабатывалось 124 киловатта энергии, но сейчас типичным является значение в 80 кВт — электрические элементы деградируют из-за ионизирующего излучения. Разумеется, значение мощности меняется в зависимости от положения относительно Солнца.
Пример реальных выдаваемых тока и напряжения для каждого из восьми крыльев. Согласно этим данным, панели вырабатывают примерно 52 киловатта энергии.
Названия каждого из крыльев
Российские модули полностью автономны. Их не доставлял космический челнок, поэтому они имеют свои системы контроля, связи и маневрирования, есть у них и солнечные панели. Первым модулем МКС стала «Заря» или ФГБ/FGB, как его называют все астронавты. Две панели 10,67×3,35 метров и 6 никель-кадмиевых батарей «Зари» могут предоставлять в среднем 3 киловатта мощности. Сейчас солнечные панели этого модуля свёрнуты, чтобы не мешаться радиаторам на ферме американского сегмента. Солнечные панели «Звезды» раскрыты, их максимальная мощность составляет 13,8 киловатт, которые трудно достичь из-за тени от американского сегмента.
Сейчас солнечные панели на ферме вырабатывают примерно 160 вольт, которые проходят через устройство преобразования постоянного тока (DDCU). На выходе получается 124 вольта постоянного тока, это напряжение используется в американском сегменте. В DDCU используется преобразователь Вайнберга. Напряжение может опускаться и в дальнейшем при использовании в других международных модулях, к примеру, некоторое японское оборудование требует 124 вольт, некоторое 28, некоторое 50.
Для российского сегмента напряжение опускают до 28 вольт постоянного тока — подобное значение исторически закрепилось в советской и российской космонавтике. В ранние периоды развития МКС приходилось поднимать российские 28 вольт до 120 для использования в американских модулях.
Розетки расположены в различных модулях станции. Вот так выглядят Utility Outlet Port (UOP) для получения 120 вольт.
Так выглядят розетки на 28 вольт в российском сегменте.
МКС совершает виток вокруг Земли примерно за полтора часа и часто находится в тени.
Во то время, когда станция освещена, солнечные панели собирают энергию, небольшая часть которой сохраняется для последующего использования в аккумуляторных батареях в блоке BCDU (Battery Charge/Discharge Unit). На каждую из 16 панелей приходится по 6 никель-водородных батарей. Сохранённая энергия используется после входа в тень Земли. Кстати, срок жизни этих батарей составляет всего 6,5 лет, то есть их приходится менять. Первый комплект продержался почти 10 лет — 50 тысяч циклов зарядки-разрядки вместо 38 тыс. проектных.
По материалам ответов инженера НАСА Роберта Фроста на Quora (1, 2, 3), Boeing.com, nasa.gov и «Википедии». Фотография НАСА S119-E-009662.
Портал об энергетике в России и в мире
Любой космический полёт – с участием или без участия человека – не был бы возможен без решения проблемы автономных систем энергоснабжения.
Идея применять солнечные батареи в космосе впервые появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников Земли.
В тот период в СССР профессор Николай Степанович Лидоренко обосновал необходимость применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах.
Первый искусственный спутник Земли (1957 год) обладал энергоустановкой мощностью порядка 40 Вт, тогда как аппарат «Молния-1+» (1967 год) обладал установкой мощностью уже 460 Вт. Для сравнения: солнечные батареи, установленные на Международной космической станции (МКС), позволяют вырабатывать от 84 до 120 кВт электрической мощности. В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счёт солнечной энергии.
Солнечная энергетика МКС
Мощность излучения Солнца на орбите Земли составляет 1367 Вт/м². Это позволяет получать примерно 130 Вт на 1 м² поверхности солнечных батарей (при КПД 8–13%). Солнечные батареи располагают или на внешней поверхности аппарата или на раскрывающихся жёстких панелях.
Электростанция орбитальной станции должна обладать чрезвычайно высокой надёжностью при длительном сроке непрерывной работы, она должна быть полностью автоматизирована и иметь относительно небольшой вес.
Кроме того, источник энергии на борту должен быть высокоэкономичным и не реагировать на специфические факторы космического полёта (невесомость, радиацию, метеорную опасность и т. п.).
При этом в российском и американском сегментах МКС мощность электросети разнится. В отечественной части МКС электричество вырабатывается солнечными батареями модулей «Заря» и «Звезда», а также может передаваться от американского сегмента через преобразователь напряжения.
В американском сегменте две гибкие складные панели солнечных батарей образуют так называемое крыло солнечной батареи, всего на станции размещено четыре пары таких крыльев. Каждое крыло имеет длину 35 м и ширину 11,6 м, а его полезная площадь составляет 298 м², при этом вырабатываемая им суммарная мощность может достигать 32,8 кВт. Солнечные батареи генерируют первичное постоянное напряжение от 115 до 173 В, которое затем трансформируется во вторичное стабилизированное постоянное напряжение в 124 В. Энергия аккумулируется в специальных никель-водородных батареях – от них станция питается, когда находится в тени Земли.
Предлагаем вам ознакомиться с инфографикой об энергоснабжении МКС на «Перетоке»: http://peretok.ru/multimedia/infographics/elektrostantsiya-dlya-kosmonavtov.html.
1 кВт на человека
Основные потребители тока на орбитальных космических станциях – это научно-исследовательское и специальное техническое оборудование, система обеспечения жизнедеятельности экипажа, радиоаппаратура связи с Землёй или какими-либо космическими объектами, а также различные вспомогательные установки, например, для управления ориентацией станции, для коррекции и изменения её орбиты.
Суммарная мощность бортовых электростанций на большинстве искусственных спутников США колеблется от 0,3 до 150 Вт. Однако здесь нужно заметить, что оборудование большинства спутников довольно невелико по объёму ввиду малого веса полезной нагрузки их ракет-носителей. Значительно выше мощность энергоустановки на обитаемых космических кораблях. Например, средняя мощность, потребная для орбитального полёта американской пилотируемой капсулы «Меркурий», составляет около 260 Вт, максимальная потребляемая мощность – не более 1 кВт.
Для орбитальной космической станции потребная мощность источника энергии составляет от 0,8–1 кВт для небольшой станции с экипажем из одного-двух человек до 50–100 кВт для крупной орбитальной лаборатории.
Обычно приборы, проектируемые специально для использования в космосе, потребляют относительно небольшие мощности. Так, например, устанавливаемый на некоторых американских спутниках Земли детектор космического излучения потребляет 2 Вт, магнитометр – 5 Вт, счётчик микрометеоров – 2,5 Вт, масс-спектрограф – 17 Вт, аппаратура активного ретранслятора радиосигналов – 10 Вт и т. д. По-разному экспертами оценивается мощность, необходимая для поддержания условий жизнедеятельности экипажа на борту. Обычно называют цифры от 500 Вт до 1 кВт на человека.
Новые технические горизонты
Среди аккумуляторных батарей для космических аппаратов сегодня широко используются никель-водородные аккумуляторы. Однако энергомассовые характеристики этих аккумуляторов достигли своего максимума (70–80 Вт∙ч/кг).
Дальнейшее их улучшение очень ограниченно и, кроме того, требует больших финансовых затрат.
В связи с этим в настоящее время на рынке космической техники происходит активное внедрение литийионных аккумуляторов (ЛИА).
Характеристики литийионных батарей гораздо выше по сравнению с аккумуляторами других типов при аналогичном сроке службы и количестве циклов заряда-разряда. Удельная энергия литийионных аккумуляторов может достигать 130 и более Вт∙ч/кг, а коэффициент полезного действия по энергии – 95%.
Немаловажным фактом является и то, что ЛИА одного типоразмера способны безопасно работать при их параллельном соединении в группы, таким образом, несложно формировать литийионные аккумуляторные батареи различной ёмкости. Одним из главных отличий ЛИА от никель-водородных батарей является наличие электронных блоков автоматики, которые контролируют и управляют процессом заряда-разряда. Они также отвечают за нивелирование разбаланса напряжений единичных ЛИА и обеспечивают сбор и подготовку телеметрической информации об основных параметрах батареи.
Но всё же основным преимуществом литийионных аккумуляторов считается снижение массы по сравнению с традиционными батареями. По оценкам специалистов, применение литийионных аккумуляторов на телекоммуникационных спутниках мощностью 15–20 кВт позволит снизить массу батарей на 300 кг. Учитывая то, что стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной массы составляет около 30 тысяч долларов, это позволит значительно снизить финансовые затраты.
Одним из ведущих российских разработчиков подобных аккумуляторных батарей для космических аппаратов является ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (АВЭКС), входящее в КРЭТ. Технологичный процесс изготовления литийионных аккумуляторов на предприятии позволяет обеспечить высокую надёжность и снижение себестоимости.
Кстати, россияне не отстают и в плане производства фотоэлектрических преобразователей – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. Проще говоря, это основные элементы устройств, которые мы называем солнечными батареями.
Делают такие батареи в Краснодаре, на заводе «Сатурн». Предприятие в Краснодаре входит в структуру Федерального космического агентства, но владеет «Сатурном» компания «Очаково», которая в буквальном смысле спасла это производство в 1990-е годы. Владельцы «Очаково» выкупили контрольный пакет акций, который чуть было не ушёл к американцам. Сегодня «Сатурн» – один из двух лидеров на российском рынке производства солнечных и аккумуляторных батарей для нужд космической отрасли (гражданской и военной).
Как рассчитать площадь поверхности, необходимую для солнечных панелей
Основы, Солнечная энергияОбласть, Эффективность, Электромагнитная волна, Излучение, Солнечная энергия, Солнечная панель Ясир Ахмед (он же Джон)
Вы оценили необходимый размер солнечной системы и готовы приобрести на рынке оборудование для ее установки. Но подождите, вы уверены, что у вас достаточно места в саду, на заднем дворе или на крыше для установки солнечных батарей? Как вы можете сделать приблизительную оценку площади, необходимой для солнечных батарей? Вот быстрый и простой способ сделать это.
Фотоэлектрические панели на крыше
Предположим, вы хотите установить 10 солнечных панелей мощностью 100 Вт каждая и с эффективностью преобразования 18%. Полная выходная мощность солнечной системы может быть рассчитана как:
Полная выходная мощность = Общая площадь x Солнечное излучение x Эффективность преобразования
Солнечная радиация для поверхности, перпендикулярной солнечным лучам на уровне моря в ясный день, составляет около 1000 Вт/м 9 .0015 2 , а эффективность преобразования составляет 18%. Подключение этого числа в вышеуказанном уравнении мы получаем:
1000 Вт = общая площадь x 1000 Вт/м 2 x 0,18
или
Общая площадь = 1000/180 = 5,56 М 2
02 Если вы собираетесь установить все панели в одну линию, вам потребуется пространство примерно 1 м x 5,56 м (каждая панель имеет размер 1 м x 0,556 м) на крыше. Ну вот. У вас есть приблизительная оценка пространства, необходимого для солнечных панелей вашей системы.
Примечание:
1. Помните, что солнечные батареи обычно устанавливаются под углом к поверхности земли, и это может несколько изменить результаты. Пример подробного расчета смотрите в следующем посте.
2. Приборы обычно работают от переменного напряжения, в то время как солнечная панель вырабатывает постоянное напряжение, а батарея также работает от постоянного тока. Поэтому для преобразования постоянного тока в переменный необходим инвертор, а при преобразовании могут быть значительные потери.
3. Представьте, что солнечная панель имеет КПД преобразования 100%, т.е. она преобразует всю солнечную энергию в электрическую, тогда все, что вам нужно, это 1 м 2 солнечная панель для производства 1000 Вт электроэнергии :).
Автор: Ясир Ахмед (он же Джон)
Более 20 лет опыта работы в различных организациях в Пакистане, США и Европе. Работал научным сотрудником в группе мобильных и портативных радиостанций (MPRG) Технологического института Вирджинии и был одним из первых исследователей, предложивших пространственно-временные блочные коды для восьми передающих антенн.
Сотрудничество с MPRG продолжалось даже после получения степени MSEE и привело к 12 исследовательским публикациям и книге по беспроводным коммуникациям. Работал в Qualcomm USA в качестве инженера с ключевой ролью тестирования производительности и соответствия модемов UMTS. Qualcomm является изобретателем технологии CDMA и владеет патентами, критически важными для стандартов 5G и 4G.
5,00 сред. рейтинг ( 96 % баллов) — 4 голосов
Выход солнечной батареи: физико-техническая научная деятельность
Расследование 1
Работая на улице, в солнечном месте (или в помещении, под 100-ваттной лампой накаливания), установите мультиметр на шкалу напряжения постоянного тока, чтобы он мог измерять несколько вольт. Используя красный зажим, соедините положительную клемму счетчика с положительной клеммой солнечного элемента. Затем с помощью черного зажима соедините общий (COM) вывод измерителя с отрицательным выводом солнечного элемента (см.
фотографии ниже).
Измерьте напряжение холостого хода ( В oc ) на солнечном элементе. Это напряжение, когда через ячейку не протекает ток. Поскольку через идеальный вольтметр не протекает ток, вольтметр измеряет напряжение разомкнутой цепи.
Наклоните солнечный элемент на солнце или при свете лампы и обратите внимание, как изменится V oc . Солнечный элемент, измеренный для установки, показанной ниже, например, имел В oc = 1,2 В при ярком солнечном свете.
Расследование 2
Переверните солнечный элемент (см. фото ниже) и посмотрите, что произойдет с показаниями счетчика. В нашей установке показание 0,16 вольта показывает, что происходит, когда на коллекторы почти не попадает свет.
Расследование 3
Снова переверните солнечный элемент лицевой стороной вверх, чтобы свет падал прямо на него, и установите измеритель на «ампер постоянного тока» по шкале, которая будет измерять несколько ампер электрического тока.
Используйте красный зажим, чтобы соединить положительную клемму счетчика с положительной клеммой солнечного элемента. Затем с помощью черного провода с зажимом соедините общий (COM) вывод измерителя с отрицательным выводом солнечного элемента. (Обратите внимание, что может быть отдельная клемма для измерения силы тока. В этом случае вам нужно будет переместить входной провод на эту клемму.)
Максимальный ток, который может производить солнечный элемент, возникает, когда провод подключается к клеммам. Это называется током короткого замыкания, или I sc . Подобно проводу, амперметр имеет очень низкое сопротивление, поэтому зарегистрирует измерение, похожее на короткое замыкание.
Обратите внимание на I sc через солнечный элемент. В нашей установке солнечный элемент измерил I sc = 0,48 ампер при ярком солнечном свете (ваши результаты могут отличаться).
Попробуйте наклонить солнечную батарею.
Как меняется ток?
На изображении ниже мы снова показываем соединения на обратной стороне солнечного элемента.
Расследование 4
Чтобы исследовать двигатель на солнечной энергии, наклейте кусок липкой ленты на вал электродвигателя, чтобы получился крошечный флажок (см. фото ниже). Убедитесь, что двигатель все еще свободно вращается с наклеенной липкой лентой.
Подключите две клеммы солнечной батареи к двум клеммам электродвигателя. (На фотографиях ниже показаны передняя и задняя часть солнечного элемента, чтобы вы могли видеть соединения.) Переверните солнечный элемент лицевой стороной вверх и обратите внимание, как вращается вал двигателя, когда он находится на солнце. Наклоните солнечную батарею, чтобы максимизировать скорость двигателя, а затем отклоните ее от максимальной ориентации. (Будьте осторожны, чтобы не затенять солнечный элемент, когда вы его держите.) Обратите внимание, что скорость двигателя максимальна, когда солнечный элемент ориентирован перпендикулярно линии от солнца к солнечному элементу.
Измерьте напряжение на двигателе, когда он работает на максимальной скорости, подключив измеритель, как вы делали это в исследовании 1, оставив двигатель подключенным. Этот массив соединений называется параллельной схемой (см. фото ниже).
Затем настройте мультиметр на измерение тока и соедините его в единый контур с двигателем и солнечным элементом (см. фото ниже). Такое расположение называется последовательным подключением счетчика. В нашем эксперименте солнечный элемент и двигатель имели В = 1,1 вольт и I = 0,11 ампер.
Расчет мощности солнечной батареи
Мощность солнечного элемента представляет собой произведение напряжения на солнечном элементе на ток, протекающий через солнечный элемент. Вот как рассчитать мощность, которую солнечный элемент передает двигателю:
Максимальная теоретическая мощность нашего солнечного элемента, P max , является произведением V oc и I sc .
P max = В oc * I sc = 1,2 В * 0,48 А = 0,58 Вт
Фактическая мощность, P , фактическая , отдаваемая солнечным элементом двигателю, на практике равна напряжению на двигателе, В , умноженному на ток через двигатель, I .
С = В * I
Для солнечной батареи и двигателя, которые мы использовали, электрическая мощность, подаваемая на двигатель, составляла
P = 1,1 В * 0,11 А = 0,12 Вт
Рассчитать эффективность солнечной батареи
Эффективность солнечного элемента представляет собой выходную электрическую мощность, деленную на входную солнечную энергию. Вы можете использовать оценку максимальной теоретической мощности для расчета максимальной теоретической эффективности, E , солнечной батареи.
Вот как рассчитать эффективность солнечной батареи с использованием солнца:
Во-первых, рассчитайте солнечную энергию, поступающую на солнечный элемент, умножив интенсивность солнца на площадь солнечного элемента.