АВТОНОМНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
AUTONOMOUS SPACE POWER PLANT

Область техники
Изобретение относится к космическим энергосистемам (КЭС), на основе прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, для обеспечения лунной базы электроэнергией.
Уровень техники
Известна «Автономная орбитальная электростанция» (Заявка США 20100264656), которая получает и направляет солнечное излучение в качестве источника энергии для нагрева рабочего тела двигателя типа Рэнкина, используемого для питания генератора электрической энергии, и создает псевдогравитационную среду, в которой существует плавучая сила. За счет использования отражателей и центровки силовой установки с источником солнечного излучения, низкая температура космического пространства использована как теплоотвод для того чтобы сконденсировать пар назад в жидкую фазу. Рабочая жидкость (например, вода) находится под давлением и нагревается до повышенной точки испарения, а расширение перегретого пара захватывается посредством вращения силовой установки в условиях микрогравитации. Пар использован для того чтобы повернуть электрическую турбину генератора и турбину корпуса против вращения. Пар охлаждается проводящим теплопередачей в охлаждающую жидкость (например, жидкий аммиак), которая излучает избыточное тепло в космическое пространство, и возвращает рабочую жидкость в жидкую фазу для рециркуляции.
Недостатком данной электростанции является низкая надежность в результате использования машинного преобразование энергии.
Известна «Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии» (Патент РФ ИЗ №2586797) которая относится к объектам энергетического машиностроения. В космической энергетической установке в трубопровод между источником тепла и турбиной устанавливается смеситель, сообщенный дополнительным трубопроводом, включающим управляемый посредством электропривода дроссель, с трубопроводом между выходом компрессора и входом тепловоспринимающего тракта теплообменника-рекуператора. Изобретение позволяет улучшить ресурсные характеристики энергоустановки за счет уменьшения времени ее работы при максимальной температуре рабочего тела на входе в турбину при снижении энергопотребления.
Недостатком данной энергетической установки является низкая надежность в результате использования машинного преобразования энергии.
Известна «Космическая солнечная энергетическая система для термохимической переработки и производства электроэнергии» (Заявка США 20080283109), которая получает энергию из энергетического пучка с помощью спутников, которые перехватывают энергию солнца с помощью солнечных батарей, формируют энергетический пучок и передают его на лунную или земную поверхность, или на приемную систему ректенны (https://altenergiya.ru/sun/rektenna-altemativa-solnechnym-panelyam.html), концентраторы, термохимические системы, системы производства топлив и других химических веществ.
Недостатком данной энергетической системы является низкая надежность системы в следствии сложности выполнения систем приема и передачи энергетического пучка.
Известна ядерная энергетическая установка «БУК» (ЯЭУ) (https://helpiks.org/6-77727.html), предназначенная для питания нагрузки размещенной за пределами атмосферы земли которая состоит из ядерного реактора, трубопровода жидкометаллического контура, радиационной защиты, компенсационного бака жидкометаллического контура, холодильника-излучателя, электромагнитного насоса кондукционного типа, термоэлектрического генератора, силовой рамной конструкции. Энергия в нем вырабатывается за счет разницы температур горячего и холодного спая термоэлектрического генератора, которая получается в результате нагрева термоэлектрического генератора со стороны горячего спая от реактора и охлаждения термоэлектрического генератора со стороны холодного спая с помощью жидкометаллического теплоносителя. Избыток тепла, образующийся в результате охлаждения, выносится посредством излучения в открытый космос с помощью холодильника- излучателя.
Недостатками данной энергетической установки являются:
1. Тепловая энергия вырабатывается с помощью ядерного реактора на быстрых нейтронах, радиационное излучение от которого, является опасным для обитаемых лунных станций и для аппаратуры.
2. Для нейтрализации негативного влияния радиации используется защита, которая значительно утяжеляет конструкцию и создает проблемы с доставкой за пределы земной атмосферы.
3. Имеет ограниченный ресурс в силу невозобновляемости энергии, используемой для нагрева термоэлектрического генератора.
4. Отсутствие системы накопления энергии, что ограничивает параметры нагрузки, а именно, не позволяет использовать динамическую нагрузку, компенсировать реактивную мощность и пусковые токи.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является, обеспечение необходимой мощностью и энергией автономной системы жизнеобеспечения оборудования и персонала в экстремальных условиях внешней среды лунной базы, а также стабильность ее работы.
Для этого предложена автономная космическая энергетическая установка, содержащая замкнутый контур горячего жидкометаллического теплоносителя, включающий, по крайней мере, один солнечный коллектор, соединенный трубопроводами с жидкометаллическим теплоносителем с последовательно установленными теплообменником горячего спая термоэлектрического преобразователя и циркуляционным насосом, замкнутый контур отвода тепла, включающий теплообменник холодного спая термоэлектрического преобразователя, соединенный трубопроводами с жидкометаллическим теплоносителем с холодильником-излучателем и циркуляционным насосом, при этом теплообменник горячего спая термоэлектрического преобразователя и теплообменник холодного спая термоэлектрического преобразователя примыкают к термоэлектрическому генератору, электрические выходы которого соединены с накопителями и потребителями энергии.
Кроме того, в качестве накопителей энергии могут быть использованы электрохимическая аккумуляторная батарея, или механическая система аккумулирования, или суперконденсаторы.
В установке в качестве источника энергии используют солнечный коллектор, в котором от энергии солнца нагревается жидкометаллический теплоноситель и по трубопроводу замкнутого жидкометаллического контура, направляется в теплообменник горячего спая термоэлектрического преобразователя, откуда посредством циркуляционного насоса направляется обратно в солнечный коллектор. Термоэлектрический генератор при этом вырабатывает энергию за счет разности температур, которая обеспечивается за счет циркуляции жидкометаллического теплоносителя в замкнутом контуре отвода тепла. Энергия, вырабатываемая термоэлектрическим генератором, направляется потребителю электроэнергии и на вспомогательную нагрузку, которой может служить электрохимическая аккумуляторная батарея, механическая система аккумулирования и пр.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется фигурой.
На фигуре приведена схема автономной космической энергетической установки, где цифрами обозначены:
1. Солнечный коллектор
2. Трубопровод горячего жидкометаллического контура
3. Теплообменник горячего спая термоэлектрического преобразователя
4. Циркуляционный насос
5. Трубопровод горячего жидкометаллического контура
6. Термоэлектрический преобразователь
7. Теплообменник холодного спая термоэлектрического преобразователя
8. Трубопровод холодного жидкометаллического контура
9. Холодильник - излучатель
10. Трубопровод холодного жидкометаллического контура
11. Циркуляционный насос
12. Накопитель энергии
13. Потребитель электроэнергии
Осуществление и примеры реализации
Замкнутый циркуляционный контур с горячим жидкометаллическим теплоносителем включает: солнечный коллектор 1, посредством трубопровода 2 соединенный с теплообменником 3, который соединен с трубопроводом 5, циркуляционным насосом 4 и с солнечным коллектором 1. Теплообменник 3 соединен с термоэлектрическим преобразователем 6 со стороны горячего спая.
Термоэлектрический преобразователь 6 соединен с теплообменником 7 со стороны холодного спая. Теплообменник 7 посредством трубопровода 8 соединен с холодильником-излучателем 9, который соединен посредством трубопровода 10 с циркуляционным насосом 11 и теплообменником 7, образуя замкнутый циркуляционный контур отвода тепла. Термоэлектрический преобразователь 6 соединен посредством токопроводящих линий с накопителем энергии 12 и потребителем 13.
Во время лунного дня энергия солнца нагревает до необходимой температуры жидкометаллический теплоноситель, который расположен в солнечном коллекторе 1, затем теплоноситель по трубопроводу горячего жидкометаллического контура 2 попадает в теплообменник горячего спая термоэлектрического преобразователя 3, проходя по теплообменнику сверху вниз, жидкометаллический теплоноситель попадает в трубопровод 5, затем посредством циркуляционного насоса 4 попадает обратно в солнечный коллектор 1 для нагрева. Теплообменник горячего спая термоэлектрического преобразователя 3 плотно прилегает к горячему спаю термоэлектрического преобразователя 6 производя его нагрев. Со стороны холодного спая термоэлектрического преобразователя 6 плотно прилегает теплообменник холодного спая термоэлектрического преобразователя 7, в котором находится жидкометаллический теплоноситель, который в свою очередь по трубопроводу 8 попадает в холодильник-излучатель 9, откуда посредством трубопровода 10 и циркуляционного насоса 11 попадает обратно в теплообменник холодного спая термоэлектрического преобразователя 7, осуществляя его охлаждение. В термоэлектрическом преобразователе 6 за счет образованной разности температур вырабатывается электричество, которое посредством токопроводящих линий идет на нагрузку-потребителю 13. В период, когда генерируемая энергия больше чем необходимая для нагрузки, избыток энергии направляется на накопитель 12, в качестве которого могут служить классические аккумуляторные батареи, суперконденсаторы или механические системы аккумулирования энергии. Датчики расхода и температуры размещены в трубопроводах 5 и 10, а также на входах выходах теплообменников 3 и 7, и холодильнике-излучателе 9 на фигуре не показано. В качестве теплоносителя используется эвтектика.
Таким образом, автономная космическая энергетическая установка производит необходимую для функционирования лунной станции энергию во время лунного дня, а ее избыток накапливает для работы во время лунной ночи, что является необходимым для стабильной и надежной работы лунной станции.