CC BY
17Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения
УДК 629.7
К ВОПРОСУ РАЗРАБОТКИ АВТОНОМНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА В ЭНЕРГИЮ
А. А. Кишкин*, А. В. Делков, Ю. Н. Шевченко, А. Ю. Вшивков, М. Г. Мелкозеров
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: aa_kishkin@sibsau.ru
Рассматривается вопрос проектирования установки преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию, предназначенной для использования в космическом аппарате. Анализируются характеристики рабочего процесса установки и особенности ее конструкции.
Ключевые слова: низкопотенциальное тепло, установка, космический аппарат.
AUTONOMOUS SPACE UNIT TO CONVERT THE LOW-POTENTIAL HEAT TO ENERGY
A. A. Kishkin*, A. V. Delkov, Y. N. Shevchenko, A. Yu. Vshivkov, М. G. Melkozerov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*E-mail: aa_kishkin@sibsau.ru
This article covers the design of a low-potential heat conversion unit for electrical energy intended to use in a spacecraft. The research analyses characteristics of the working process of the installation and the features of its design.
Keywords: low-potential heat, unit, spacecraft.
Вопрос разработки и создания новых перспективных источников энергии на борту космического аппарата (КА) в настоящее время стоит особенно остро. Повышение энерговооруженности с одновременной тенденцией к сокращению удельной массы аппарата обуславливают необходимость использования для этих целей эффективных установок с повышенными сроками активного существования.
Для решения вопроса энергообеспечения используются солнечные батареи, химические источники, ядерные установки и т. д. Одним из перспективных направлений является применение установок с циклом Ренкина, утилизирующих имеющиеся на борту КА источники низкопотенциального тепла [1]. Такие установки в настоящее время применяются преимущественно для диапазона мощностей 2-10 кВт [2].
Применение энергогенерации с использованием цикла Ренкина на КА было предложено в СССР еще в 70-е годы прошлого века [3]. В качестве источника тепла для силового паротурбинного цикла использовались унифицированные модули радиоизотопного источника (Pu-238). Результатом исследований стала установка номинальной мощности 1,3 кВт, массы 205 кг. Установка проработала 20 ч, и за это время существенных отклонений параметров не было выявлено [3].
Принцип функционирования энергетической установки с циклом Ренкина основан на использовании энергии низкопотенциального тепла. Тепловая энергия испаряет рабочее тело установки, в результате чего оно, двигаясь поступательно, совершает работу в микротурбине с выработкой электрической энергии [4].
В качестве источника тепла можно использовать тепловую энергию солнечного излучения, удельная плотность теплового потока которого достигает на орбите Земли порядка 1370 Вт/м2. Конструктивно такое решение может быть реализовано двумя способами:
- с использованием в качестве источника солнечного тепла, снимаемого с солнечных панелей. В связи со сравнительно низкими равновесными температурами панелей такой подход имеет низкую эффективность, однако позволяет использовать солнечное излучение в более широком инфракрасном (тепловом) диапазоне. Установки, изготовленные по этому способу, не подвержены старению и деградации характеристик (по сравнению с солнечными батареями);
- с применением солнечных концентраторов параболического типа. Такой подход позволяет получить высокие температуры, а значит и высокую эффективность установки. Однако в этом случае необходимо решить проблему высоких перепадов давления рабочего тела в системе.
Для синтеза работоспособной системы автономной космической установки преобразования низкопотенциального тепла в энергию необходимы достоверные и верифицируемые эмуляционные модели и опытные образцы базовых элементов, оптимизированных в области своей работоспособности и работоспособности системы в целом по массово-энергетическим критериям.
Решетневскуе чтения. 2017
Особенность проектирования таких установок заключается в сложном расчете поведения рабочего тела в элементах системы. Кроме того, возникают сложности проектирования рабочих колес и создания положительного энергобаланса. Для расчета и анализа подобных установок с успехом может применяться аппарат математического моделирования [5]. В рамках данной работы разрабатывается математическая модель установки. В настоящее время создана экспериментальная установка мощностью до 500 Вт для проведения испытаний и получения данных для отработки алгоритма расчета.
Библиографические ссылки
1. Bland T. J., Niggeman R. E., Wren P. W. Organic Rankine cycle power conversion systems for space applications // JECEC, 1983. N. 839162. P. 990-994.
2. Ramon F. G. A Viable Megawatt-Class Space Power Plant under Rankine Cycle // J. of Energy and Power Engineering. 2012. № 6. P. 683-694.
3. Гришутин М. М. Паротурбинные установки с органическими рабочими телами Л. : Машиностроение, 1988.
4. Lahey R. T., Dhir V. Research in Support of the Use of Rankine Cycle Energy Conversion Systems for Space Power and Propulsion, NASA/CR—2004-213142, July 2004. URL: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs. nasa.gov/20040086725.pdf (дата обращения: 20.05.2017).
5. Разработка установок-утилизаторов низкопотенциального тепла на основе органического цикла
Ренкина / А. А. Кишкин, Д. В. Черненко, А. А. Ходен-ков и др. // Альтернативная энергетика и экология : междунар. науч. журн. 2013. № 14. С. 57-63.
References
1. Bland T. J., Niggeman R. E., Wren P. W. Organic Rankine cycle power conversion systems for space applications // JECEC, 1983. N. 839162. P. 990-994.
2. Ramon F. G. A Viable Megawatt-Class Space Power Plant under Rankine Cycle // Journal of Energy and Power Engineering № 6 (2012), p. 683-694.
3. Grishutin M. M. Paroturbinnye ustanovki s organi-cheskimi rabochimi telami [Steam-Turbine plant with an organic working bodies], Leningrad : Mashinostroenie Publ., 1988.
4. Lahey R. T., Dhir V. Research in Support of the Use of Rankine Cycle Energy Conversion Systems for Space Power and Propulsion, NASA/CR-2004-213142, July 2004. Available at: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/ casi.ntrs.nasa.gov/20040086725.pdf (accessed: 20.05.2017).
5. Razrabotka ustanovok-utilizatorov nizkopotent-sial 'nogo tepla na osnove organicheskogo tsikla Renkina [Development of low-potential heat recovery facilities based on the Rankine Organic Cycle] / A. A. Kishkin, D. V. Chernenko, A. A. Khodenkov, A. V. Delkov, F. V. Tanasiyenko // ISJAEE 14,2013, № 14, 2013, p. 57-63.
© Кишкин А. А., Делков А. В., Шевченко Ю. Н., Вшивков А. Ю., Мелкозеров В. Г., 2017
