|
Проектирование микросети для будущей лунной базы
|
|
|
|
Sandia National Laboratories хорошо известна разработкой надежных и отказоустойчивых микросетей для военных баз и жизненно важных городских служб. Теперь исследователи Sandia работают с НАСА над созданием одного из них для Луны. Это не первый раз, когда Sandia сотрудничает с НАСА для питания оборудования на Луне. Фактически, Сандия обеспечивал техническое руководство для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, которые приводили в действие лунные эксперименты, проводимые многими миссиями Аполлона.
|
|
|
|
План НАСА относительно своей концепции лунной базы Artemis заключается в том, что она будет служить испытательным полигоном для возможного исследования Марса человеком, сказал Джек Фликер, инженер-электрик Sandia. Концепция базового лагеря состоит из жилого блока, в котором могут разместиться до четырех астронавтов, а также возможностей для отдельной добычи и переработки топлива, называемых использованием ресурсов на месте, объектов. Ранние миссии Artemis будут включать в себя краткосрочное пребывание в базовом лагере с целью увеличения продолжительности пребывания до двух месяцев за раз.
|
|
|
Горнодобывающие и перерабатывающие предприятия могут производить ракетное топливо, воду, кислород и другие материалы, необходимые для расширенного исследования лунной поверхности, при этом уменьшая потребности в поставках с Земли. Этот объект будет расположен далеко от базового лагеря, поэтому другие научные и технологические мероприятия, проводимые там, не будут нарушены, но электрическая сеть для двух блоков будет подключена во время чрезвычайных ситуаций для обеспечения отказоустойчивости и надежности, добавил Фликер.
|
|
|
|
Одна часть команды Sandia, в которую входят Ли Рашкин и Дэйв Уилсон, разрабатывает контроллер электрической системы для микросети горнодобывающего и обрабатывающего центра. По словам Фликера, НАСА разрабатывает контроллер электрической системы для жилого блока, поскольку эта система будет очень похожа на электрическую систему постоянного тока Международной космической станции. Фликер и его часть команды разрабатывают систему, которая соединит две микросети, и изучают поток энергии и работу между двумя микросетями.
|
|
|
|
«Есть несколько очень важных различий между чем-то вроде микросети типа МКС и чем-то размером с лунную базу», — сказал Фликер. «Одним из этих отличий является географический размер, который может быть проблематичным, особенно при работе при низком напряжении постоянного тока. Другое заключается в том, что, когда вы начнете расширять эти системы, будет намного больше силовой электроники, а также гораздо больше распределенной энергии. ресурсов, которые будут существовать по всей базе. Sandia уже давно рассматривает микросети с большим количеством распределенных энергетических ресурсов».
|
|
|
|
Распределенные энергетические ресурсы — это более мелкие источники электроэнергии, такие как солнечные панели и ветряные турбины, а силовая электроника — это устройства, такие как преобразователи, которые поддерживают работу электрических систем в соответствии со спецификациями. «Круиз-контроль» для электрической системы лунного горнодобывающего центра. Рашкин, инженер-электрик, и Уилсон, инженер по управлению, разрабатывают программное обеспечение для регулирования электроэнергии горно-обогатительного центра с начала лета 2021 года. Уилсон сравнил свой контроллер с круиз-контролем в стандартном автомобиле, поскольку он поддерживает ровный уровень напряжения в сети, несмотря на изменение внешней обстановки.
|
|
|
|
Контроллер должен иметь возможность поддерживать одинаковый уровень напряжения в нескольких разных временных масштабах, от менее тысячных долей секунды до сезонов. По словам Уилсона, на самом высоком уровне управляющего программного обеспечения, в масштабе от минут до времен года, люди могут контролировать, какие солнечные панели генерируют электроэнергию и какие энергопотребляющие устройства включены. Однако на самом низком уровне, менее чем за тысячную долю секунды, контроллер должен работать быстро и автоматически, чтобы поддерживать выходные данные на требуемом уровне. По словам Рашкина, в первую очередь они ориентированы на средний уровень управления.
|
|
|
|
«Наша цель — разработать систему управления энергией Луны, которая сможет эффективно поддерживать систему уровня во всех этих временных масштабах», — сказал Уилсон. «У нас есть специализированный объект Secure Scalable Microgrid и методология проектирования системы управления, которая анализирует это. В объекте также есть специализированные эмуляторы накопления энергии, которые могут помочь нам определить спецификации того, сколько энергии требуется базе и их требования».
|
|
|
|
Испытательный стенд Secure Scalable Microgrid — это уникальный исследовательский центр Sandia, который команда будет использовать для тонкой настройки своей системы управления. По словам Рашкина, они также будут использовать испытательный стенд для изучения вопросов о контроллерах энергосистемы и взаимодействиях между распределенными энергоресурсами, накопителями энергии и силовой электроникой в ??микросети постоянного тока, которая представляет собой масштабированное и упрощенное представление возможной лунной микросети. Большинство наземных микросетей и наземных электрических сетей в целом работают на переменном токе переменного тока.
|
|
|
|
Подобно высококлассной модели поезда, испытательный стенд состоит из трех взаимосвязанных микросетей постоянного тока со специально изготовленной электроникой для имитации различных систем производства энергии и устройств, использующих электричество. Системы производства электроэнергии, которые они могут имитировать, включают дизельные генераторы, фотоэлектрические батареи, эмуляторы накопления энергии и преобразователи энергии. По словам Рашкина, каждый из эмуляторов может управляться компьютером, а микросети могут быть настроены для тестирования бесконечного множества сценариев. Он добавил, что это обеспечивает прекрасную платформу для повторных экспериментов с немного измененным программным обеспечением для сравнения реакции системы.
|
|
|
|
«Целью здесь является проектирование сверху вниз: сначала мы пытаемся определить конструкцию управления, придумать спецификации для накопителя энергии, а затем НАСА может использовать эти спецификации для получения готовых к полету компонентов, соответствующих этим спецификациям». — сказал Уилсон. «В большинстве случаев люди делают обратное: они приносят вам аккумулятор и говорят: «Заставьте его работать», что может снизить производительность микросети». Другие исследователи, активно участвующие в разработке контроллеров, включают Марвина Кука, ученого-компьютерщика Sandia; Уэйн Уивер и Раш Робинетт III, профессора технических наук Мичиганского технологического университета; и Джозеф Янг, главный научный сотрудник OptimoJoe.
|
|
|
|
Вторым важным направлением деятельности исследователей Sandia является разработка системы, которая соединит микросети майнинг-объекта и жилых единиц для обеспечения отказоустойчивости и надежности. По словам Фликера, существует два основных способа обеспечения отказоустойчивости микросети. Во-первых, иметь возможность гибко направлять энергию туда, где она необходима. По словам Фликера, второй — это слишком большие размеры, чтобы обеспечить достаточную мощность даже в случае отказа нескольких элементов.
|
|
|
|
«Обычно у нас есть некоторая комбинация этих двух, где она в некоторой степени негабаритна, но вы также можете гибко направлять энергию, как вам нужно, внутри микросети или между независимыми, но совместными микросетями, как мы исследуем для Луны, — сказал Фликер. «В случае непредвиденных обстоятельств, таких как отказ системы хранения энергии во время затмения, мы хотим иметь возможность перенаправить энергию с горнодобывающего предприятия в базовый лагерь, чтобы обеспечить безопасность астронавтов».
|
|
|
|
Часть команды Фликера также изучает, как может работать связь между двумя микросетями. Они изучают влияние расстояния между майнинговым комплексом и жилой единицей на эффективность и стабильность передачи, независимо от того, находятся ли они на расстоянии пяти или 20 миль друг от друга. Команда также определяет оптимальное напряжение, при котором должно работать соединение, и будет ли оно Имеет смысл, чтобы соединение оставалось постоянным, или если НАСА должно преобразовать его в переменный ток, чтобы совершить поездку, а затем обратно в постоянный ток, как только он достигнет жилого блока. Чтобы ответить на эти вопросы и изучить различные сценарии непредвиденных обстоятельств, Фликер и инженеры-электрики Рашид Дарбали-Замора и Эндрю Доу используют два исследовательских центра.
|
|
|
|
Лаборатория распределенных энергетических технологий Sandia используется для изучения интеграции возобновляемых источников энергии, таких как ветряные турбины и солнечные панели, в более крупные энергетические системы. Одной из сильных сторон этой лаборатории являются аппаратные эксперименты. По словам Дарбали-Замора, такие эксперименты включают подключение реального оборудования к программному обеспечению, которое может подвергать оборудование различным смоделированным сценариям, включая катастрофические отключения электроэнергии и погодные условия. Он добавил, что эти эксперименты являются промежуточным этапом между чистой симуляцией и полевыми испытаниями.
|
|
|
|
«С помощью этого оборудования постоянного тока, которое мы создаем в лаборатории, мы можем тестировать силовые преобразователи, импеданс электрических линий между лунными объектами, мы также можем тестировать фактические устройства генерации и хранения энергии", - сказал Дарбали-Замора. «По сути, мы можем использовать его для изучения различных ситуаций, чтобы мы могли разработать систему, которая является самоподдерживающейся и может продолжать работать, даже если массив солнечных панелей выйдет из строя». По словам Фликера, команда также будет использовать микросеть постоянного тока Emera на базе ВВС Киртланд, чтобы увидеть, как система с тяжелой электроникой может работать и переносить питание по мере необходимости в сценариях с низким энергопотреблением.
|
|
|
|
Конечно, вся команда Sandia тесно сотрудничает, добавил Фликер. Например, они используют наборы инструментов из испытательного стенда Secure Scalable Microgrid и некоторые наборы инструментов НАСА в своих компьютерных симуляциях. По словам Дарбали-Замора, со временем они даже планируют протестировать контроллер Уилсона в моделировании соединений. «Несмотря на то, что эта работа предназначена для микросети на Луне, исследование также имеет отношение к обеспечению устойчивости сообществ на Земле», — сказал Дарбали-Замора. «Я родом из небольшого городка в Пуэрто-Рико. Я надеюсь, что некоторые из уроков, извлеченных из этого проекта с точки зрения устойчивости, я смогу применить дома».
|
|
|
|
Источник
|
