• 5

5.1. СФЭУ КАК СЛОЖНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

СФЭУ с концентратором солнечного излучения в общем случае представляет собой совокупность СЭ, оптических элементов концен­трирующей системы, а также элементов других систем, обеспечи­вающих нормальное функционирование установки. Перечисленные элементы объединены многообразными энергетическими, механиче­скими (силовыми) и информационными связями. Связи эти, а сле­довательно, и схемные решения СФЭУ могут существенно разли­чаться. Так, например, все СЭ могут быть электрически скоммути- рованы и размещены на единой несущей основе, образуя один фото­электрический генератор (солнечную батарею — СБ), связанный с одним концентратором. В противоположном случае каждый СЭ может иметь свою небольшую концентрирующую систему. Между этими двумя крайними структурными вариантами возможно множе­ство других, когда один концентратор обслуживает определенную группу электрически и конструктивно связанных СЭ (элементарную СБ) и из таких модулей формируется СФЭУ. Независимо от схемы соединения СЭ и концентраторов отвод тепла в СФЭУ может осуще­ствляться от всех СЭ или их групп с помощью одного устройства либо от каждого СЭ отдельно. Различными могут быть схемы элек­трических соединений СЭ и модулей, силовые конструктивные схемы СФЭУ, схемы размещения и соединения элементов автоматики и т. д.

Весьма разнообразны и условия функционирования СФЭУ. Они могут применяться на Земле, где достаточно сложно обеспечить устойчивость конструкции к действию различных атмосферных фак­торов, пыли, ветровых нагрузок, но сравнительно просто решается задача точного слежения установки за Солнцем, возможен ее ремонт в процессе эксплуатации, не налагаются жесткие ограничения на массу и т. п. При использовании СФЭУ в качестве источников элек­троэнергии на борту космических аппаратов (КА) существенное влияние на выбор конструкции установки и ее элементов оказывает учет влияния различных факторов космического пространства: частиц высоких энергий радиационных поясов Земли, микрометеори­тов, высокого вакуума, а также вибрационных и инерционных нагру­зок при выводе КА на орбиту Земли, взаимного влияния динамиче­

ских характеристик установки и аппарата» ограничений, связанных с трудностями обеспечения точного слежения СФЭУ за Солнцем, и др. Весьма жесткие требования предъявляются к надежности и ресурсу энергетических установок автоматических необслуживае­мых КА. Очевидно, что разным условиям применения будут соответ­ствовать и различные оптимальные варианты СФЭУ.

Наконец, СФЭУ является, как правило, частью системы электро­снабжения (СЭС) определенного объекта, где она связана с буфер­ным химическим аккумулятором или другим накопителем электро­энергии, блоком автоматики и прочими элементами. Связи эти могут быть разнообразными и также влияют на выбор лучшего варианта СФЭУ.

Многообразие типов основных элементов СФЭУ с концентрато­рами излучения, схем их электрической, тепловой и механической коммутации, большое количество внешних факторов и связей, которые необходимо учитывать при выборе лучшего варианта, су­щественно усложняют задачу оптимизации установок данного класса и приводят к необходимости использования системного подхода к ее решению [5, 6].

В основе системного подхода лежит понятие сложной техниче­ской системы (СТС), под которой подразумевается упорядоченная совокупность множества взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, образующих единое функциональное целое, предназна­ченное для решения определенной задачи (достижения определенной цели функционирования) в условиях взаимодействия с внешней средой. Сложной системе присуще также разнообразие подсистем управления, отвечающее разнообразию ее структуры [7].

В соответствии с данным определением основными признаками СТС являются [8—11]:

1)         наличие единой цели функционирования системы, которой подчинено функционирование всех ее многочисленных элементов;

2)         наличие новых, так называемых интегративных свойств, ко­торые характерны для системы в целом, но не являются результатом простого суммирования свойств ее элементов;

3)         многочисленные прямые и обратные связи с внешней или ок­ружающей средой, под которой понимают не только физическую природную среду, но и системы более высокого иерархического уровня (суперсистемы), системы, находящиеся на одном уровне с рассматриваемой и взаимодействующие с ней, а также системы, противодействующие ее нормальному функционированию;

4)         возможность разбиения системы на подсистемы и элементы» которые находятся в определенных соподчиненных и согласованных отношениях и образуют многоуровневую иерархическую структуру системы;

5)         наличие многоуровневой системы управления, которая в со­временных СТС отличается, как правило, высокой степенью автома­тизации.

Покажем, что СФЭУ с концентраторами излучения может рас­сматриваться как сложная техническая система, а следовательно,

должна быть объектом системного подхода. Действительно, функ­ционирование многочисленных взаимосвязанных и взаимодействую­щих элементов СФЭУ полностью подчинено общей цели ее функцио­нирования — преобразованию солнечной энергии в электрическую с требуемыми параметрами. При этом очевидно, что функциональ­ные свойства установки, характеризуемые выходными параметрами, а также ее надежность, стойкость к действию внешних факторов и другие качества не являются простой суммой свойств ее подсистем и элементов, т. е. имеют интегративный характер.

 

| Элементы подсистем СФЭУ | I   I

Рис. 5.1. Схема конструкционной декомпозиции СФЭУ.

СФЭУ является подсистемой СЭС, а также объекта, который последняя обслуживает, например КА, и имеет с ними разнообразные электрические, механические и другие связи. Так, в зависимости от назначения и условий функционирования КА СФЭУ может быть в разной степени подвержена действию факторов космического пространства, в частности нагрева на освещенном и охлаждения на затененном участках орбиты, радиационных потоков, затенения конструкцией КА и т. п. Структура и параметры СЭС и КА опреде­ляют требования к выходным электрическим параметрам установки, ограничения на ее массогабаритные показатели, динамические ха­рактеристики и т. п.

Наконец, СФЭУ можно разделить на множество взаимосвязан­ных подсистем и элементов, т. е. произвести ее декомпозицию и

сформировать многоуровневую иерархическую структуру установки. В зависимости от цели декомпозиции она может осуществляться по функциональным или конструктивным признакам [7]. В последнем случае СФЭУ может быть представлена в виде четырехуровневой иерархической структуры (рис. 5.1), на первом, верхнем, уровне которой находится установка в целом, на втором — система управ­ления, обеспечивающая слежение установки за Солнцем и другие контрольно-регулирующие функции, система генерирования элек­троэнергии и силовая конструкция, обеспечивающая механическое объединение всех систем в одно целое. На третьем уровне разме­щаются подсистемы концентрирования солнечного излучения, фото­электрического преобразования энергии и отвода тепла, а также подсистемы, обеспечивающие энергетические и механические связи между ними. На этом же уровне находятся подсистемы системы управ­ления и блоки силовой конструкции, которые на схеме не представ­лены. На четвертом, нижнем, уровне расположены элементы всех перечисленных подсистем, в частности оптические элементы кон­центрирующей подсистемы, солнечные и электрокоммутационные элементы, развязывающие диоды, элементы теплоотводящей под­системы, различные механические и прочие элементы.

Очевидно, что любой элемент СФЭУ, выполняющий определен­ную функцию, например СЭ, может быть реализован в различных конструктивных вариантах (см. главу 3). В то же время некоторые конструктивные элементы могут выполнять несколько функций. Так концентратор солнечного излучения может использоваться для отвода тепла и защиты фотопреобразователей от воздействия внеш­них факторов и т. п. Все это еще раз свидетельствует о многообразии возможных вариантов СФЭУ и существенной неоднозначности вы­бора лучшего из них для тех или иных условий функционирова­ния. Решение этой задачи и является целью структурно-параметри­ческой оптимизации солнечных фотоэлектрических установок с кон­центраторами излучения, которые следует рассматривать и иссле­довать как сложные технические системы.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я