Генератор электрической энергии для космического аппарата
ELECTRICAL POWER GENERATOR FOR SPACECRAFT

Изобретение относится к области энергетики и может применяться для электроснабжения космических аппаратов, в частности, космических спутников.
Одним из основных источников электрической энергии на борту космических аппаратов являются солнечные батареи. Они работают долгое время без расхода каких-либо материалов и при этом экологически безопасны, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии. Однако при применении солнечных батарей в космосе возникает ряд проблем:
- солнечные батареи располагают или на внешней поверхности аппарата или на раскрывающихся жестких панелях. Для обеспечения максимума отдаваемой батареями энергии перпендикуляр к их поверхности должен быть направлен на Солнце с точностью 10…15°. В случае жестких панелей это достигается или ориентацией самого космического аппарата или специализированной автономной электромеханической системой ориентации солнечных батарей, при этом панели подвижны относительно корпуса аппарата, что может привести к появлению паразитных моментов и сложности стабилизации космических аппаратов в пространстве;
- солнечные батареи со временем деградируют под действием метеорной эрозии, радиационного излучения, термических ударов;
- при затмении батареи в результате маневров или входа в тень планеты выработка солнечной панели прекращается;
2
2
- низкий КПД солнечных панелей (от 8 до 26%). При мощности излучения Солнца на орбите Земли в 1367 Вт/м это позволяет получить не более 355 Вт на 1 м.
Известна солнечная батарея космического аппарата (патент РФ №2460676, B64G 1/44, 10.09.2012), включающая в свой состав две панели, состоящие из подпружиненных шарнирно связанных между собой и собранных в пакет створок, устанавливаемых в сложенном положении на раме и закрепленных к борту космического аппарата через опорные узлы с пиросредством, и подпружиненных, шарнирно закрепленных на опорных узлах стяжек, при этом каждая из панелей выполнена из двух полупанелей, состоящих из корневой, средней и крайней створок, установленных на раме, подвижно закрепленной на опорных узлах, при этом полупанели каждой панели соединены между собой с помощью фиксирующих элементов, выполненных в виде подпружиненных прижимов, установленных на раме и связанных посредством тросовой тяги с пиросредством, причем на створках попарно установлены по два кронштейна, а кронштейны, установленные на крайней створке, снабжены осями, которые взаимодействуют в процессе раскрытия панелей с профилированными выступами, выполненными на кронштейнах, установленных на корневой створке, обеспечивая раскрытие панелей «рулонным» способом.
Недостатками известного устройства являются невысокая эффективность солнечной батареи из-за длительности пребывания в области тени, а также из-за ухудшения выработки электрической энергии при нагревании солнечной панели; необходимость стабилизации космического аппарата при разворачивании солнечной батареи.
Известна солнечная батарея для космического аппарата (патент РФ №2525633, H01L 31/042, B64G 1/44, 20.08.2014), которая содержит: панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами, шунтирующий диод; коммутирующие шины, приваренные к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с солнечными элементами, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу солнечного элемента, при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.
Недостатками известного устройства являются невысокая эффективность солнечной батареи из-за длительности пребывания в области тени, а также из-за ухудшения выработки электрической энергии при нагревании солнечной панели; необходимость стабилизации космического аппарата при разворачивании солнечной батареи.
При применении в качестве источника электроэнергии солнечных батарей не используется тепловая энергия солнца, которая идет на нагревание космического аппарата.
Известно устройство, преобразовывающее тепловую энергию в электрическую, - магнитотепловой генератор электрической энергии (патент РФ №2210839, Н01М 8/06; H02N 10/00; H02N 11/00, опубл. 20.08.2003), содержащий один блок электрохимических топливных элементов, топливный резервуар, узел подачи топлива, блок отвода продуктов химической реакции, сборник тепла и блок автоматического управления, а также преобразователь тепловой энергии в электрическую, выполненный в виде симметричной разветвленной магнитной цепи с тремя сердечниками, изготовленными из тонких электрически изолированных листов магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью. В два крайних сердечника с вторичными обмотками встроены рабочие вставки, выполненные в виде плотно упакованных сборок из тонких ферромагнитных пластин с трехмерным рельефом на их поверхности, характеризующиеся большим скачком намагниченности при температуре точки Кюри и малой остаточной намагниченностью. Ферромагнитные пластины соприкасаются друг с другом в точках, образованных выпуклостями трехмерного рельефа и образующих множество параллельных каналов для интенсификации теплообмена. Питание магнитной цепи известного магнитотеплового генератора может осуществляться постоянным магнитом (вместо центрального сердечника с первичной обмоткой устанавливается постоянный магнит) с использованием для нагрева рабочих вставок природных источников тепловой энергии, например солнечного излучения. Известное устройство является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному генератору электрической энергии для космического аппарата.
Недостатками известного генератора электрической энергии являются: сложность конструкции, необходимость в блоках подачи и отвода тепла и топлива, ограниченные функциональные возможности относительно применения на космических аппаратах.
Задача изобретения - упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей генератора электрической энергии для космического аппарата, преобразовывающего солнечную тепловую энергию в электрическую.
Техническим результатом изобретения является снижение удельной массы генератора электрической энергии для космического аппарата, обеспечение выработки электрической энергии из солнечной тепловой энергии генератором электрической энергии для космического аппарата как при прямом воздействии на него солнечного потока (нагревании), так и в области тени (охлаждении).
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в генераторе электрической энергии для космического аппарата, содержащем преобразователь тепловой энергии в электрическую с магнитной системой из постоянных магнитов и ферромагнитных пластин, принимающей солнечную тепловую энергию, согласно изобретению, между двумя ферромагнитными пластинами установлены постоянные магниты и обмотка, при этом генератор электрической энергии выполнен с возможностью вращения вокруг космического аппарата.
Кроме того, постоянные магниты могут быть выполнены тонкопленочными.
Кроме того, обмотка может быть выполнена из углеродных нанотрубок с высокой электропроводностью.
Кроме того, генератор электрической энергии для космического аппарата может быть выполнен с возможностью совместной работы с солнечной батареей.
Существо изобретения поясняется чертежами: на фиг. изображен генератор электрической энергии для космического аппарата в поперечном разрезе.
Генератор электрической энергии для космического аппарата содержит преобразователь тепловой энергии в электрическую с магнитной системой из постоянных магнитов 1 и ферромагнитных пластин 2 и 3, принимающий солнечную тепловую энергию. Между двумя ферромагнитными пластинами 2 и 3 установлены постоянные магниты 1 и обмотка 4. Преобразователь тепловой энергии в электрическую установлен на экранируемом корпусе 5. При этом генератор электрической энергии установлен с возможностью вращения вокруг космического аппарата 6.
Изобретение реализуется следующим образом. При поступлении солнечного теплового потока на внешнюю ферромагнитную пластину 2 она нагревается, вместе с ней нагреваются постоянные магниты 1. При прекращении поступления солнечного теплового потока на внешнюю ферромагнитную пластину 2 она охлаждается вместе с постоянными магнитами 1. Изменение температуры постоянного магнита приводит к изменению магнитной индукции, что в свою очередь приводит к возникновению ЭДС в обмотке 4, при подключении выводов которой к нагрузке по ней начнет протекать электрический ток. Вращение генератора электрической энергии вокруг космического аппарата 6 обеспечивает непрерывное изменение температуры постоянного магнита и, следовательно, постоянную выработку электрической энергии.
Применение тонкопленочных постоянных магнитов позволяет значительно уменьшить массу генератора электрической энергии для космического аппарата.
Применение обмоток из углеродных нанотрубок с высокой электропроводностью позволит повысить энергоэффективность генератора электрической энергии для космического аппарата.
Совместное использование генератора электрической энергии для космического аппарата и солнечных батарей позволит увеличить выработку электрической энергии.
Итак, заявленное изобретение позволяет упростить конструкцию, расширить функциональные возможности генератора электрической энергии для космического аппарата.
В результате снижается удельная масса генератора электрической энергии для космического аппарата, обеспечивается выработка электрической энергии как при прямом воздействии на него солнечного потока (нагревании), так и в области тени (охлаждении).