Использование ХИТ в космической технике
Исследование космического пространства ведется с помощью искусственных спутников земли, автоматических межпланетных кораблей, научных станций, пилотируемых космических кораблей и обитаемых научных станций. К энергетическим установкам для космических исследований предъявляется требование высокой удельной энергии, так как стоимость запуска в космос резко возрастает с увеличением массы. Например, уменьшение массы запускаемого аппарата на 200 кг приводит к экономии 30 млн долл. США [5.5].
Энергоустановки для космоса должны быть надежными, устойчивыми к воздействиям радиации, ударов, вибрации, иметь большой срок службы, не вызывать шума и вредных выбросов, работать в условиях невесомости. Бортовая аппаратура многих космических систем питается от солнечных батарей в комплекте с аккумуляторами. На первом этапе использовались серебряно-цинковые аккумуляторы [0.12], однако из-за малого ресурса их в значительной мере вытеснили более тяжелые, но более долговечные серебряно-кадмиевые и никель-кадмиевые аккумуляторы, которые нашли применение на Международной космической станции, станции «Салют», аппаратах «Марс», «Венера», спутниках «Метеор», «Молния», «Надежда», «Космос» и др. Позднее на космических аппаратах и спутниках нашли применение никель-водородные аккумуляторы, имеющие более высокие значения удельной энергии и ресурс (см. разд. 4.6). В последние годы в космической технике используются никель-металлогидридные аккумуляторы, характеризуемые более высокими значениями удельной энергии и мощности. Однако их ресурс существенно меньше ресурса никель-водородных аккумуляторов. В настоящее время все более широкое применение находят литий-ионные аккумуляторы. Требования NASA к литий-ионным ХИТ для некоторых космических аппаратов приведены в табл. 5.11.
Требования по удельной энергии соответствуют параметрам литий-ионных аккумуляторов. Однако необходима дальнейшая работа по улучшению некоторых параметров этих аккумуляторов: увеличению ресурса (для низких планетарных орбит) и скорости разряда (для роуверов и низких орбит) и снижение рабочих температур (для ро-уверов и посадочных аппаратов). На многих спутниках применяются литий-ионные аккумуляторы емкостью 50 А ■ ч. Замена никель-металлогидридного аккумулятора на литий-ионный позволяет снизить массу энергоустановки на 35—40 %, сократить мощность зарядных устройств благодаря более высокой отдаче по энергии и уменьшить площадь радиатора для отвода теплоты. Объем использованных в космосе в 2000 г. литий-ионных аккумуляторов составил 12 млн шт. [4.1.20]. Химические источники тока (литий-тионилхлоридные, некоторые аккумуляторы) применяются в системах пусковых космических установок.
Источник
Батарейка для космических аппаратов
Разработка конкурентоспособной космической техники требует перехода на новые типы аккумуляторов, отвечающих требованиям систем электроснабжения перспективных космических аппаратов.
В наши дни космические аппараты используются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, освоения и изучения дальнего космоса.
Одним из главных условий к подобным аппаратам является точная ориентация в космосе и коррекция параметров движения. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата. Проблемы энерговооруженности космических аппаратов, и, в первую очередь, разработки по определению новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение на мировом уровне.
В настоящее время основными источниками электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные и аккумуляторные батареи.
Солнечные батареи по своим характеристикам достигли физического предела. Дальнейшее их совершенствование возможно при использовании новых материалов, в частности, арсенида галлия. Это позволит в 2-3 раза увеличить мощность солнечной батареи или уменьшить ее размер.
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 ограничено и, кроме того, требует больших финансовых затрат.
В связи с этим, в настоящее время на рынке космической техники происходит активное внедрение литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).
Характеристики литий-ионных батарей гораздо выше по сравнению с аккумуляторами других типов при аналогичном сроке службы и количестве циклов заряд-разряд. Удельная энергия литий-ионных 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 литий-ионные аккумуляторные батареи различной емкости.
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 все же основным преимуществом литий-ионных аккумуляторов считается снижение массы по сравнению с традиционными батареями. По оценкам специалистов, применение литий-ионных 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 литий-ионных аккумуляторов на предприятии позволяет обеспечить высокую надежность и снижение себестоимости.
Источник
Твердотельные аккумуляторы. Революция или.
Только представьте: в настоящее время проходит тестирование технология , которая может стать долгожданной революцией в энергетике. Эта новая технология обещает быть более безопасной и эффективной, чем все, что у нас есть сейчас. Она изменит все, к чему мы привыкли. Электроинструменты, игрушки, ноутбуки, смартфоны, медицинское оборудование, космические корабли — все это станет для нас гораздо удобнее. Эта технология навсегда избавит нас от необходимости использовать ископаемое топливо.
Нет, речь идет не о термоядерной энергии. На самом деле все вышесказанное относится к инновациям в области аккумуляторных технологий. Исследователи называют эти инновации незамысловато — твердотельные аккумуляторы. То же мне прорыв, скажете Вы. Вон у меня в «Москвиче-412» аккумулятор вполне себе твердый стоит. И квадратный. Что они там открыли опять, эти грантоеды-тунеядцы? Что же это за ботва такая? Зачем все это нужно?
Что такое твердотельные аккумуляторы?
Стандартные аккумуляторные батареи — это устройства, которые накапливают химическую энергию и преобразуют ее в электрическую. Состоят они, в основном, из четырех стандартных частей. Это катод, анод, электролит и сепаратор. Катод и анод — это электроды. Электрический ток возникает, когда электроны переходят от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Таким образом, роль электродов — производить электрический ток. Раствор электролита позволяет положительно заряженным ионам течь между двумя электродами. Это среда, в которой двигается упорядоченный поток электронов. Ну, и наконец, аккумуляторный сепаратор. Он разделяет два электрода и предотвращает короткое замыкание батареи.
Так вот. Есть одно очень важное отличие между обычными и твердотельными аккумуляторными батареями: электролит. Современные литий-ионные батареи содержат жидкий электролит. К сожалению, некоторые соединения, присутствующие в жидком электролите, допускают появление кристаллических структур , известных как дендриты. Эти дендриты образуют длинные острые «усы», которые могут проткнуть сепаратор. И вызвать короткое замыкание. А это, в свою очередь, иногда приводит к опасным взрывам. А вот твердотельные аккумуляторы содержат твердый электролит. Который препятствует росту этих вредных дендритов.
Твердотельный аккумулятор имеет гораздо более высокую плотность запасаемой энергии. И при этом риск его возгорания или взрыва значительно ниже. Он занимает меньше места и может работать в более широком диапазоне температур. В общем — просто незаменимая в хозяйстве вещь.😁
Давайте представим, например, как такие аккумуляторы могут изменить эксплуатационные характеристики электромобилей.
Запас хода
Самым большим недостатком современных электромобилей является их ограниченный запас хода. В среднем он не превышает 400–450 км при полной зарядке. И эта полная зарядка занимает до 17 часов! Это зависит от того, заряжается ли автомобиль на станции , или от стандартной розетки дома. И все же, несмотря на такое неудобство, популярность электромобилей продолжает расти. И совершенно очевидно, что в конечном итоге они будут доминировать на автомобильном рынке. Потому что нефть, рано или поздно, на этой планете закончится.
Давайте теперь рассмотрим твердотельный аккумулятор.
Запас хода электромобиля при их использовании увеличивается вдвое. Или даже втрое. Время зарядки сокращается до 15 минут. Исследователи из корпорации Samsung, работающие в области твердотельных аккумуляторов, уже смогли разработать устройство , которое можно заряжать и разряжать более 1000 раз! Оно способно обеспечивать электромобиль энергией на дистанции до 805 км! И еще, при всем этом, оно эффективно работает при весьма экстремальных температурах.
Подобные изобретения могут означать близкий конец дымящих и коптящих транспортных средств. Для ноутбуков и смартфонов это означает, что эти устройства смогут работать несколько суток от одной (очень быстрой) зарядки. А общий срок службы батареи увеличится с 2 лет до более чем 10. Медицинские устройства могут стать более портативными и компактными. А больший температурный диапазон означает, что твердотельные батареи могут найти широкое применение и в космической технике будущего.
Подобный потенциал не ускользнул от внимания крупных автопроизводителей. Такие компании как Volkswagen, Ford, BMW, Hyundai, Toyota уже вложили миллиарды долларов в подобные исследования. Компания QuantumScape, поддерживаемая Биллом Гейтсом, создала твердотельные аккумуляторы со слоями керамики, устойчивыми к росту дендритов. Они способны работать при еще более низких температурах. А Toyota планирует выпуск пробной партии автомобилей с твердотельными аккумуляторами к 2025 году.
И все же самый захватывающий прорыв в этом направлении исходит от человека, о котором Вы, вероятно, никогда не слышали.
Аккумулятор из стекла
Группа исследователей во главе с физиком по имени Джон Гуденаф недавно подала патент на твердотельный аккумулятор, сделанный из стекла и керамики. Эти материалы являются стабильными и негорючими. Подобные аккумуляторы позволяют запасать в 3 раза больше энергии , чем обычная литий-ионная батарея. Такие потрясающие характеристики были достигнуты путем добавления в электроды натрия и лития. Не менее важно то, что такой аккумулятор вполне доступен по цене (а ведь именно высокая стоимость производства является самой большой проблемой широкого использования твердотельных аккумуляторных батарей). Он рассчитан на более чем 2000 циклов зарядки и разрядки. Диапазон рабочих температур такой стеклянной батареи составляет от -20º C до 60º C.
Гуденаф — очень необычный ученый. Он получил 8 научных наград, в том числе Нобелевскую премию по химии. Его прошлые инновации, изменившие мир, включают оригинальную литий-ионную батарею и оперативную память, необходимую для работы любого компьютера . А сегодня его работы сделали твердотельные аккумуляторы доступными для всех. Мы можем увидеть массовое внедрение этой технологии всего через 3 или 4 года. Хотя, если честно, трудно сказать однозначно, когда она станет доступной для массового использования.
Аккумулятор — это гораздо больше, чем просто удобство. Это ключевой элемент в спасении нашего мира. Более мощные электромобили могут привести к весьма серьезным изменениям на автомобильном рынке. И переходу на более экологически чистые виды транспорта. Твердотельные аккумуляторы могут производиться из экологически чистых материалов, таких как тот же самый натрий, который в неисчислимых количествах содержится в обыкновенной океанской воде.
Не будет ли дефицита соли через 200-300 лет?😁
Друзья! Если вам понравилась эта статья, обязательно оставьте комментарий вот по этой ссылке . Это можно сделать с использованием Вашей учетной записи Яндекс, Вконтакте, Фейсбук, Одноклассники.
Ставьте лайк и обязательно поделитесь ей в социальных сетях!
А еще Вам могут понравиться эти статьи:
Источник
Журнал «Все о Космосе»
Установка новых литий-ионных батарей на МКС, сложности
Сегодня в нашем журнале “Всё о Космосе” мы опубликовали статью “Астронавты НАСА вышли в открытый космос для установки новых литий-ионных батарей.”
Для установки этих батарей НАСА планирует 5 выходов астронавтов в открытый космос:
Воскресенье, 6 октября, 6:30 a.m. Eastern (14:30 мск). Первый из пяти выходов в открытый космос для модернизации энергосистемы орбитальной станции. Астронавты НАСА Christina Koch и Andrew Morgan вышли в открытый космос, чтобы начать установку новых литий-ионных батарей на конструкцию Port-6. Дуэт будет работать около шести часов и 30 минут.
Зачем заменять батареи на МКС?
Ферменные конструкции — это одна из технологий, использованных НАСА при строительстве Международной космической станции. Фермы, доставляемые на орбиту шаттлом, служат для негерметичного хранения грузов, установки радиаторов, солнечных батарей, различного оборудования. Ферменные конструкции на МКС образуют так называемую ITS (Integrated Truss Structure, Объединённая ферменная структура).
«P6» (P6 Truss) — вторая ферменная конструкция запущенная к МКС после «Z1». представляет собой энергетический модуль с двумя солнечными батареями, длиной 36,58 метра каждая. Кроме этого внутри фермы смонтировано различное электротехническое и электронное оборудование, необходимое для преобразования, распределения и передачи полученной электроэнергии. «P6» была доставлена на станцию шаттлом «Индевор» (сборочная миссия МКС 4А, миссия шаттла STS-97) и 3 декабря 2000 года была установлена во временную позицию на ферме «Z1». Установка этой конструкции стала важным этапом для энергообеспечения научной программы станции и функционирования американского сегмента.
Первые элементы Международной космической станции находятся на орбите с 1998 года с запусками “Зари” и “Unity” России и США, соответственно.
Согласно проекту станции, основные солнечные батареи форпоста расположены на четырех интегрированных сегментах ферменной конструкции: P4, P6, S4 и S6.
Миссия STS-97 космического челнока Endeavour в ноябре/декабре 2000 года доставила ферму P6. Ферменная конструкция P4 была затем запущена в сентябре 2006 года, S4 в июне 2007 года и S6 в марте 2009 года.
Учитывая долговечность станции, батареи должны быть заменены, поскольку их возраст снижает эффективность работы.
На ферменной конструкции P6 уже были свои никель-водородные батареи, замененные один раз, учитывая 19 -летнее существование на орбите. Тогда были заменены оригинальные 12 никель-водородные батареи, запущенные с фермой, на 12 новых.
Когда план по замене всех батарей на станции был введен в действие, НАСА и международные партнеры решили заменить никель-водородные батареи гораздо более эффективными литий-ионными батареями.
Все новые литий-ионные батареи были запущены на борту японского космического грузовика Kounotori (HTV), поскольку эти грузовики являются единственными транспортными средствами, способными перевозить большие внешние конструкции, необходимые для запуска батарей. На S4 и P4 уже была проведена замена батарей на новые литий-ионные, и теперь настала очередь ферменной конструкции P6.
Замена батареи фермы S6 будет произведена в следующем году, после запланированного на май 2020 года запуска грузовика HTV-9 с набором из шести новых батарей.
Каждая новая литий-ионная батарея заменит две никель-водородные батареи и обеспечит большую эффективность станции на долгие годы.
Старые батареи – 170 кг, примерно 1,0 х 0,5 м. Новые литий-ионные аккумуляторы весят 197 кг.
Как поменять батареи фермы P6:
Перед заменой элементов фермы S4 и P4 выполнялись роботизированные операции, при этом экипажи выходили в космос для того, чтобы провести заключительное соединение, после того, как рука робота станции завершила снятие и замену батареи.
Использование Canadarm2 и Dextre было возможно потому, что элементы ферменной конструкции S4 и P4 ближе к центру станции и доступны для робота.
Ферменная конструкция P6 расположена гораздо дальше.
Поэтому работа на конструкции P6 должна будет выполняться вручную, в течение пяти выходов в открытый космос.
По материалам сайта NSF
Пока писалась статья, новая батарея 0015 теперь состыкована в P6 IEA-2B 1 на ферменной станции, в 14:22 UTC (17:22 мск). Теперь астронавты берут другую старую батарею с фермы P6. Старые батареи будут погружены на грузовик HTV и сгорят при входе в атмосферу.
Батарея А установлена. Это первая.
Battery A installed. That’s the first one. EVA about an hour ahead of schedule.https://t.co/A4CtQzYZJF pic.twitter.com/xT97NcPAvB
Старая батарея 0093 удалена с P6 IEA-2B 2 в 14:44 UTC (17:44 мск)
Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ➤ ➤ ➤
Источник