Космическая энергетика. Практика использования энергий Космоса и Земли

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Космическая энергетика -- вид альтернативной энергетики, предусматривающий использование энергии Солнца для выработки электроэнергии, с расположением энергетической станции на земной орбите или на Луне.

Еще начиная с 70-х годов прошлого столетия, люди задумывались над тем, чтобы получать энергию прямо из космоса. Впервые такую идею описал Айзек Азимов в своем фантастическом рассказе «Логика». А первый патент, который описывал технологию передачи электроэнергии с помощью микроволн на значительное расстояние, получил Питер Глейзер в 1973 году. Хотя НАСА тогда не взялась за разработку этой идеи, посчитав ее слишком дорогой и опасной. Никто не мог гарантировать, что волны с точностью попадут с одной антенны на другую.

1. Спутник для выработки энергии

Разработка концепции.

Разработала концепцию солнечного спутника команда инженеров из калифорнийской компании Artemis Innovation Management Solutions во главе с Джоном Манкинсом. Как говорят разработчики, проект имеет важные преимущества перед предлагаемыми ранее технологиями. Инновационный подход к построению космического устройства устраняет необходимость в сложной системе управления питанием и системе распределения энергии.

Спутниковая солнечная электростанция будет собрана в космосе из отдельных элементов весом 49,5 - 198 килограммов, каждый из которых будет изготовлен по отдельности на Земле и доставлен на орбиту. По сути, она представляет собой огромный массив подвижных тонкопленочных зеркал, расположенных на внешней изогнутой поверхности спутника. Эти зеркала перехватывают и перенаправляют солнечный свет на фотоэлементы, расположенные на обратной стороне массива, которые вырабатывают электричество. Сторона спутника, обращенная к Земле, представляет собой круглый модульный массив, покрытый панелями микроволновой передачи энергии. Эти панели генерируют пучки радиочастотной энергии низкой интенсивности, которые будут передаваться на Землю.

После всех расчётов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на землю оставалось бы 2000 мегаватт. Чтобы понять много это или нет, стоит сравнить эту мощность с Красноярской ГЭС, мощность которой составляет 6000 мегаватт.

Схема технологии.

Система предполагает наличие аппарата-излучателя, находящегося на геостационарной орбите. Предполагается преобразовывать солнечную энергию в форму, удобную для передачи (СВЧ, лазерное излучение), и передавать на поверхность в «концентрированном» виде. В этом случае на поверхности необходимо наличие «приёмника», воспринимающего эту энергию.

Космический спутник по сбору солнечной энергии по существу состоит из трех частей:

· средства сбора солнечной энергии в космическом пространстве, например, через солнечные батареи или тепловой двигатель Стирлинга;

· средства передачи энергии на землю, например, через СВЧ или лазер;

· средства получения энергии на земле, например, через ректенны.

Космический аппарат будет находиться на ГСО и ему не нужно поддерживать себя против силы тяжести. Он также не нуждается в защите от наземного ветра или погоды, но будет иметь дело с космическими опасностями, такими как микрометеориты и солнечные бури.

Актуальность в наши дни.

Так как за 40 лет со времени появления идеи солнечные батареи сильно упали в цене и увеличились в производительности, а грузы на орбиту стало доставлять дешевле, в 2007 году «Национальное космическое общество» США представило доклад, в котором говорит о перспективах развития космической энергетики в наши дни.

Преимущество системы

· Высокая эффективность из-за того, что нет атмосферы, выработка энергии не зависит от погоды и времени года.

· Практически полное отсутствие перерывов, так как кольцевая система спутников, опоясывающая Землю, в любой момент времени будет иметь хотя бы один, освещаемый Солнцем.

2. Лунный пояс

Проект космической энергетики, представленный компанией Shimizu в 2010 году. По задумке японских инженеров это должен быть пояс, из солнечных батарей протянутый по всему экватору Луны (11 тыс. километров) и шириной 400 километров.

Солнечные панели.

Так как производство и транспортировка такого количества солнечных батарей с земли не представляется возможным, то по замыслу ученых солнечные элементы должны будут производиться прямо на Луне. Для этого можно использовать лунный грунт, из которого можно делать солнечные батареи.

Передача энергии.

Энергия с этого пояса будет передаваться радиоволнами с помощью громадных 20 километровых антенн, и приниматься ректеннами здесь на земле. Второй способ передачи, который может использоваться это передача световым лучом с помощью лазеров и прием светоуловителем на земле.

Преимущества системы.

Так как на Луне нет атмосферы и погодных явлений, энергию можно будет вырабатывать почти круглосуточно и с большим коэффициентом эффективности.

Дэвид Крисуэлл предположил, что Луна является оптимальным местом для солнечных электростанций. Основное преимущество размещения солнечных коллекторов энергии на Луне в том, что большая часть солнечных батарей может быть построена из местных материалов, вместо земных ресурсов, что значительно снижает массу и, следовательно, расходы по сравнению с другими вариантами космических солнечных электростанций.

3. Технологии, применяющиеся в космической энергетике

космический лазерный электроэнергия

Беспроводная передача энергии на Землю.

Беспроводная передача электроэнергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или Лунной станции к Земле. Энергия может быть передана с помощью лазерного излучения или СВЧ на различных частотах в зависимости от конструкции системы. Основная проблема использования СВЧ является нарушение экологической и биологической системы региона получения энергии. Ионизация биологических материалов начинается только с ультрафиолетового излучения и появляется при более высоких радиочастотах. Поэтому необходимо будет использовать частоты ниже ультрафиолетового излучения.

Исследователи НАСА работали в 1980-х годах с возможностью использования лазеров для излучения энергии между двумя точками в пространстве. В перспективе эта технология станет альтернативным способом передачи энергии в космической энергетике. В 1991 году начался проект SELENE, который предполагал создание лазеров для космической энергетики, в том числе и для излучения энергии лазером на лунные базы. В 1988 Грант Логан предложили использовать лазер, размещенный на Земле, чтобы обеспечить энергией космические станции, предположительно это можно было осуществить в 1989. Предлагалось использование солнечных элементов из алмаза при температуре 300 °C для преобразования ультрафиолетового лазерного излучения. Проект SELENE продолжал работать над этой концепцией, пока не был официально закрыт в 1993 после двух лет исследований, так и не осуществив тестирования технологии на большие расстояния. Причина закрытия: высокая стоимость осуществления.

Преобразование солнечной энергии в электрическую.

В космической энергетике единственный способ эффективного получения энергии это использование фотоэлементов. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43 %.

Получение энергии от СВЧ волн испускаемых источником.

Так же важно почерпнуть способы получения энергии. Один из них это получение энергии с помощью ректенн. Ректенна (выпрямляющая антенна) -- устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока.

Преимущества и недостатки.

Космическая солнечная энергия -- энергия, которую получают за пределами атмосферы Земли. При отсутствии загазованности атмосферы или облаков, на Землю падает примерно 35 % энергии от той, которая попала в атмосферу. Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96 % времени. Таким образом, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли (на высоте 36000 км) будет получать в среднем в восемь раз больше света, чем панели на поверхности Земли и даже больше когда космический аппарат будет ближе к Солнцу, чем Земля. Дополнительным преимуществом является тот факт, что в космосе нет проблемы с весом или коррозии металлов из-за отсутствия атмосферы.

С другой стороны, главный недостаток космической энергетики и по сей день является её высокая стоимость. Средства, затраченные на вывод на орбиту системы общей массой 3 млн. т. окупятся только в течение 20 лет, и это если принимать в расчёт удельную стоимость доставки грузов с Земли на рабочую орбиту 100 $/кг. Нынешняя же стоимость вывода грузов на орбиту намного больше.

Основные технологические проблемы.

По данным исследований 2008 года, есть пять основных технологических проблем, которые наука должна преодолеть, чтобы космическая энергия стала легкодоступной.

· Фотоэлектрические и электронные компоненты должны работать с высокой эффективностью при высокой температуре.

· Беспроводная передача энергии должна быть точной и безопасной.

· Космические электростанции должны быть недорогими в производстве.

· Низкая стоимость космических ракет-носителей.

· Поддержание постоянного положения станции над приёмником энергии: давление солнечного света будет отталкивать станцию от нужного положения, а давление электромагнитного излучения, направленного на Землю, будет толкать станцию от Земли.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Солнечная энергетика. История развития солнечной энергетики. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики. Типы фотоэлектрических элементов. Технологии солнечной энергетики.

реферат , добавлен 30.07.2008

Рентабельность развития солнечной космической электростанции, этапы и направления данного процесса, его перспективы, значение. Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения. Беспроводная передача энергии с использованием уравнения передачи Фриис.

курсовая работа , добавлен 17.06.2012

Возрастание интереса к проблеме использования солнечной энергии. Разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Современная концепция использования солнечной энергии. Использование океанской энергии. Принцип действия всех ветродвигателей.

реферат , добавлен 20.08.2014

Ознакомление с основными направлениями и перспективами развития альтернативной энергетики. Определение экономических и экологических преимуществ использования ветровой, солнечной, геотермальной, космической, водородной, сероводородной энергии, биотоплива.

реферат , добавлен 15.12.2010

Сущность и краткая характеристика видов энергии. Особенности использования солнечной и водородной энергии. Основные достоинства геотермальной энергии. История изобретения "ошейника" А. Стреляемым, принцип его работы и потребления энергии роста растений.

презентация , добавлен 20.12.2009

Геотермальная энергия и ее использование. Применение гидроэнергетических ресурсов. Перспективные технологии солнечной энергетики. Принцип работы ветроустановок. Энергия волн и течений. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России.

реферат , добавлен 16.06.2009

Количество солнечной энергии, попадающей на Землю, ее использование человеком. Способы пассивного применения солнечной энергии. Солнечные коллекторы. Технологический цикл солнечных тепловых электростанций. Промышленные фотоэлектрические установки.

презентация , добавлен 06.12.2015

Производство электроэнергии различными способами. Фотоэлектрические установки, системы солнечного теплоснабжения, концентрирующие гелиоприемники, солнечные коллекторы. Развитие солнечной энергетики. Экологические последствия развития солнечной энергетики.

реферат , добавлен 27.10.2014

Основные сведения об альтернативной энергетики. Преимущества и недостатки вакуумных коллекторов. Снижение зависимости от поставок энергоносителей. Применение фокусирующих коллекторов. Преимущества использования экологически чистой солнечной энергии.

реферат , добавлен 21.03.2015

Обзор технологий и развитие электроустановок солнечных электростанций. Машина Стирлинга и принцип ее действия. Производство электроэнергии с помощью солнечных батарей. Использования солнечной энергии в различных отраслях производства промышленности.

Работе заседания рабочей группы предшествовало обсуждение рассматриваемых проблем на следующих совещаниях: первый круглый стол по беспроводной передаче электрической энергии на Земле и в космосе под руководством председателя Комитета Государственной Думы по энергетике ФС РФ (21 ноября 2012 года); IV Международный форум «Энергосбережение и энергоэффективность — динамика развития» (Санкт-Петербург, 7-10 октября 2014 года); XIV Московский международный энергетического форум «ТЭК России в XXI веке» (19-20 апреля 2016 года).

На прошедшем заседании было отмечено, что в 1970-е годы советская космическая энергетика была мировым лидером. Однако за последние 20-25 лет в России наметилось отставание этой отрасли от мирового уровня.

Произошло это по той причине, что в указанный период отечественная космическая энергетика развивалась по принципу «необходимо и достаточно». Фундамент направления был заложен великими учёными и инженерами, уже покинувшими этот мир (С. П. Капица, Б. Е. Черток, А. Г. Иосифьян, Н. С.Лидоренко, В. А. Ванке и др.). После них космическая энергетика как отдельное направление, можно сказать, осиротело — ни Минэнерго России, ни Роскосмос не занимались его перспективным развитием. Но дальнейшее развитие космонавтики неизбежно потребует мегаваттных мощностей. Отечественная космическая энергетика должна быть готова к этим рубежам прогресса, поскольку Российская Федерация и впредь должна оставаться ведущей космической державой.

Интегрально космическая энергетика включает в себя три следующих сегмента технических средств: космическая солнечная электростанция (КСЭС), канал беспроводной передачи электрической энергии и приёмные, преобразующие и аккумулирующие системы. Над повышением эффективности каждого из этих сегментов работает ряд предприятий РАН, Роскосмоса и ведущих вузов России.

От РАН совместно с экспертной секцией «Космическая энергетика» Научно-консультативного Совета при депутате Государственной Думы Федерального Собрания Российской Федерации И. Д. Грачёве и МИРЭА в этой работе принимает участие Институт биохимической физики имени Н. М. Эмануэля в качестве координатора работ по развитию космической энергетики.

Необходимо также отметить, что перемещение процесса преобразования энергии (солнечной или ядерной) за пределы биосферы Земли существенно снижает нагрузку на биосферу и, в частности, приводит к снижению парникового эффекта. Экологические последствия такого энергоснабжения существенно ниже, чем последствия от использования традиционных энергетических источников, таких как тепловые, атомные и гидроэлектростанции.

Перенос солнечных электростанций в космос позволит круглосуточно в нужном месте получать электроэнергию. Канал передачи энергии является наиболее важным сегментом космической электростанции, а беспроводная передача энергии — чрезвычайно сложной задачей для современной техники. Проекты реализации такого канала на основе микроволнового и лазерного излучения разрабатываются во всех передовых странах мира, в том числе и в РФ (табл. 1).

Свои соображения о подходах к решению задачи практического создания КСЭС с учётом реалий сегодняшнего дня в ходе заседания в своих докладах представили Александр Сигов, академик РАН, президент Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики; Иван Редько, д.т.н., профессор, заместитель директора Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН; Дмитрий Айрапетянц, заместитель министра энергетики Московской области; Рашид Артиков, заместитель генерального директора НП «Российское теплоснабжение»; Сергей Нехаев, председатель правления МОО «Устойчивое развитие» и сообщества «СоКоммуникации», Владимир Матюхин, д.т.н., профессор, руководитель Центра аэрокосмической силовой фотоники МИРЭА; Виктор Зайченко, д.т.н., заведующий лабораторией Объединённого института высоких температур РАН; Игорь Костин, коммерческий директор ООО «Эконорм»; Алла Захарова, руководитель филиала «Группа компаний МКС», и другие специалисты.

Участники круглого стола указали на необходимость: создания природоохранных технологий для обеспечения стабилизации климата и замещения нефти, прежде всего в удалённых регионах России; организации системы глобальной аэрокосмической, а также астероидной и метеоритной безопасности Российской Федерации.

Существуют следующие основные концепции космических солнечных электростанций: на базе КСЭС, размещаемых на низких околоземных орбитах (предложение НПО имени С. А. Лавочкина, Россия); на базе КСЭС, размещаемых в точках Лагранжа (проект РКК «Энергия», Россия); на базе КСЭС, размещаемых на геостационарной орбите (проект ЦНИИМаш, Россия; проект SolarBird, Япония; КСЭС по программе Пентагона 2007 года, США; проект Solaren, США; на базе лунных солнечных электростанций (Лунная космическая солнечная электростанция — ЛСЭС) с использованием орбитальных ретрансляторов энергии (Центр Келдыша, Россия); концепция Крисвелла, США; на базе ЛСЭС с прямой передачей энергии (предложение Shimizu Corporation, Япония).

Целью заседания рабочей группы является создание условий для консолидации сил промышленности, РАН и вузов. Такая консолидация позволит снять основные проблемы, а также решить главные задачи космической энергетики:

создание прорывных технологий беспроводной трансконтинентальной транспортировки мощных информационноэнергетических потоков по стратосферным и космическим магистралям над территорией страны;
создание демонстрационного образца солнечной аэрокосмической электростанции с дистанционной передачей энергии по лазерным магистралям;
беспроводное энергообеспечение стратегически важных наземных, воздушных и космических объектов;
ускоренное развитие высокоинформативных систем телекоммуникаций в северных и других труднодоступных регионах страны;
мониторинг региональной безопасности, в том числе безопасности особо важных объектов (наземных и плавучих АЭС, плавучих газовых и нефтяных платформ, магистральных трубопроводов и пр.);
создание стратосферных и космических солнечных электростанций мощностью 1-10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Таким образом, развитие систем беспроводной передачи энергии способно кардинальным образом повлиять на определяющие стороны жизни России. Это энергообеспечение, энергетическая и экологическая безопасность, обороноспособность, информатизация.

Ожидается, что, подняв в ходе своего развития престиж самой космической техники в решении важнейших социально-экономических задач страны, эта технология будет сопоставима с такой успешной отечественной отраслью, как атомная энергетика.

Актуальность развития этого направления подтверждается и тем, что в Японии принята «императорская» программа создания КСЭС, которую можно сравнить с программой создания атомной бомбы в СССР. Программа имеет высший государственный статус и приоритет. Сроки создания КСЭС намечены на 2025 год. Проект реализуется государственным органом — Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA). Финансирование — $ 21 млрд. Планируемая мощность электростанции — 1 ГВт. Массив солнечных батарей имеет площадь 4 км 2 . Для реализации проекта правительство Японии учредило консорциум на базе корпораций Mitsui, Mitsubishi, NEC, Sharp, Hitachi и других компаний. Рассматривается два варианта технологии: прямое преобразование солнечной энергии в лазерное излучение (с использованием линз Френеля и NiYAG-лазера) и преобразование солнечной энергии в СВЧ-излучение. Космическая японская энергетическая система (Space Solar Power System, SSPS) предусматривает развёртывание на геостационарной орбите поля из солнечных панелей площадью примерно 4-6 км 2 . Произведённую ими энергию вниз будет доставлять либо поток СВЧ-излучения, либо мощный и высокоэффективный лазер. Средняя выходная мощность такой системы должна составить 1 ГВт («на грунте», с учётом всех потерь при передаче из космоса), пиковая — 1,6 ГВт. Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли — порядка 70-75 %. Выпрямительная антенна (ректенна) на Земле должна принимать энергию микроволнового излучения от КСЭ с максимально возможной эффективностью. Одна из конструкций имеет форму эллипса с большой осью 13 км и малой осью 9,5 км. Плотность падающего микроволнового излучения — от 25 мВт/см 2 в центре и до 1 мВт/см 2 на периферии. Преобразование принимаемой энергии в постоянный ток осуществляется в элементах, встроенных в ректенну. Рассматривались различные микроволновые частоты, предложенные во многих исследованиях WPT и демонстрациях: 2,45; 5,8; 8,51; 35; 94; 140 и 170 ГГц. Размер приёмной ректенны при изменении частоты СВЧ мог изменяться от 10 км до 150 м, а плотность СВЧ-энергии может возрасти до 10 Вт/см 2 .

Американская версия космической энергетической станции — SPS-ALPHA (Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array). В своём воплощённом виде система представляет собой гигантский космический «цветок» и является антенной решёткой с зеркалами, положение которых регулируется индивидуально. Задняя часть этого «цветка» является набором фотоэлектрических панелей. На обратной его стороне, направленной в сторону Земли, имеется множество СВЧ излучателей-передатчиков, которые отсылают на Землю в виде СВЧ-излучения энергию в диапазоне от десятков до тысяч (!) мегаватт мощности.

Исходя из объёмов финансирования и масштабности проводимых за рубежом работ, обозначилась перспектива потеря космического энергетического рынка для России, что чревато катастрофическими последствиями. Отсутствие паритета с зарубежными странами в столь важном и перспективном направлении для России недопустимо.

Участники заседания обратили своё внимание и на то, что проекты КСЭС стали разрабатываться сразу после начала космической эры. Как уже было сказано, в настоящее время США и Япония активно разрабатывают КСЭС гигаваттного уровня для начала рынка «космического электричества», который может изменить международный рынок энергетических ресурсов, в частности, снизить спрос на природные ресурсы России, а также породить угрозу её энергетической и национальной безопасности. В частности, при увеличении частоты СВЧ-излучения до десятков и сотен гигагерц принципиально возможно инициировать возникновение различных природных явлений в верхних слоях атмосферы.

Российскими специалистами предлагается существенное упрощение схемы КСЭС в целом, снижение её стоимости, повышение надёжности и эффективности. Для повышения оперативности и эффективности управления проектом предлагается его реализацию осуществить в три этапа. Причём на первом этапе развития космической энергетики предлагается внедрение проекта «Создание демонстрационного прототипа аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт на базе привязных аэростатов», с целью формирования необходимых научно-технических решений и приобретения отечественного опыта по их реализации для создания в перспективе АКСЭС гигаваттного класса. При этом АКСЭС находится в составе многофункционального энерготехнологического комплекса (МЭК), состоящего из основных энергетических установок: газопоршневой электростанции, модуля по производству из биомассы генераторного газа, модуля когенерации, САУ и модуля преобразования электроэнергии.

С целью ускорения реализации первого этапа проекта участники заседания пришли к единодушному мнению, что каждый из них может взять на себя обязательство по разработке и реализации того или иного модуля МЭК в соответствии со своими наработками. Должно быть подготовлено многостороннее соглашение по строительству первой аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт и письмо-обращение к президенту РФ по финансированию второго и третьего этапов проекта.

Заслушав и обсудив доклады, члены рабочей группы решили:

2. Выйти с предложением к руководству страны о рассмотрении вопроса выделения финансовых средств на разработку национальной программы «Солнечная аэрокосмическая энергетика России».

3. Поддержать инициативу Александра Сигова, академика РАН, президента Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики о разработке «дорожной карты» развития космической энергетики.

4. Институту биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН (И. Я. Редько) совместно с МИРЭА (В. Ф. Матюхин) и МОО «Устойчивое развитие» (С. А. Нехаев) подготовить и подписать многостороннее соглашение по строительству аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт в составе МЭК.

5. Обратиться в Минэнерго России с предложением включить в план НИОКР на 2017 год разработку «Концепции создания автономной солнечной аэрокосмической системы энергоснабжения».

6. Рекомендовать создание на базе государственного университета «Дубна», МИРЭА, Звенигородской обсерватории Института астрономии РАН, ОИВТ РАН, МЭИ, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН, МОО «Устойчивое развитие», «КЭР-Холдинга», ДКБА и ООО «Эконорм» экспериментального учебного полигона по отработке новых технологий МЭК, в том числе с использованием объектов космической энергетики.

7. Поручить заместителю директора Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН И. Я. Редько дополнить рабочую группу по разработке и строительству аэрокосмической солнечной электростанции мощностью 50 кВт в составе МЭК.

8. Поручить председателю совета директоров ООО «Устойчивое развитие» С. А. Нехаеву подготовить рекомендации по формированию современной финансовой инфраструктуры, механизмов и инструментария для внебюджетного финансирования объектов и проектов распределённой энергетики с использованием аэрокосмических солнечных электростанций.

9. Провести в первом полугодии 2016 года расширенное совещание по вопросам реализации проекта с участием привлекаемых предприятий.

1968 : Питер Глейзер представил идею больших солнечных спутниковых систем с солнечным коллектором размером в квадратную милю на высоте геостационарной орбиты (ГСО 36000 км над экватором), для сбора и преобразования энергии солнца в электромагнитный пучок СВЧ для передачи полезной энергии на большие антенны на Земле.

1990 :"Исследовательским центром им. М. В. Келдыша" разработана концепция энергоснабжения Земли из космоса с использованием низких околоземных орбит. «Уже в 2020-2030 годы можно создать 10-30 космических электростанций, каждая из которых будет состоять из десяти космических энергомодулей. Планируемая суммарная мощность станций будет равна 1,5-4,5 ГВт, а суммарная мощность у потребителя на Земле - 0,75-2,25 ГВт». Далее планировалось к 2050-2100 годам довести количество станций до 800 единиц, а конечную мощность у потребителя до 960 ГВт. Однако на сегодняшний день неизвестно даже о создании рабочего проекта на основе этой концепции [ ] ;

2009 : Японское агентство аэрокосмических исследований объявило о своих планах вывести на орбиту спутник солнечной энергии, которые будут передавать энергию на Землю с помощью микроволн. Они надеются вывести первый прототип орбитального спутника к 2030 году.

2009 : Компания Solaren расположенная в Калифорнии (США) подписала договор с компанией PG&E о том, что последняя будет покупать энергию, которую Solaren произведет в космосе. Мощность будет составлять 200 МВт. По плану этой энергией будут питаться 250 000 домов. Реализация проекта планируется на 2016 год.

2011 : Объявлено о проекте нескольких японских корпораций, который должен быть реализован на базе 40 спутников с прикрепленными солнечными батареями. Флагманом проекта должна стать корпорация Mitsubishi . Передача на землю будет осуществляться с применением электромагнитных волн, приёмником должно стать «зеркало» диаметром около 3 км, которое будет находиться в пустынном районе океана . По состоянию на 2011 год планируется запустить проект в 2012 году

2013 : Главное научное учреждение Роскосмоса - ЦНИИмаш выступил с инициативой создания российских космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1-10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. В ЦНИИмаше обращают внимание, что американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ -излучения, которое сегодня представляется значительно менее эффективным, чем лазерное .

Спутник для выработки энергии

История идеи

Изначально идея появилась в 1970-х годах. Появление такого проекта было связано с энергетическим кризисом. В связи с этим правительство США выделило 20 миллионов долларов космическому агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).

После всех расчётов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на землю оставалось бы 2000 мегаватт. Чтобы понять много это или нет, стоит сравнить эту мощность с Красноярской ГЭС , мощность которой составляет 6000 мегаватт. Но примерная стоимость такого проекта 1 триллион долларов, что и послужило причиной закрытия программы.

Схема технологии

Система предполагает наличие аппарата-излучателя, находящегося на геостационарной орбите . Предполагается преобразовывать солнечную энергию в форму, удобную для передачи (СВЧ , лазерное излучение), и передавать на поверхность в «концентрированном» виде. В этом случае на поверхности необходимо наличие «приёмника», воспринимающего эту энергию .

Космический спутник по сбору солнечной энергии по существу состоит из трех частей:

средства сбора солнечной энергии в космическом пространстве, например, через солнечные батареи или тепловой двигатель Стирлинга ;
средства передачи энергии на землю, например, через СВЧ или лазер;
средства получения энергии на земле, например, через ректенны .

Актуальность в наши дни

Так как за 40 лет со времени появления идеи солнечные батареи сильно упали в цене и увеличились в производительности, а грузы на орбиту стало доставлять дешевле, в 2007 году «Национальное космическое общество» США представило доклад в котором говорит о перспективах развития космической энергетики в наши дни.

Преимущества системы

Высокая эффективность из-за того, что нет атмосферы, выработка энергии не зависит от погоды и времени года.
Практически полное отсутствие перерывов так как кольцевая система спутников, опоясывающая Землю, в любой момент времени будет иметь хотя бы один, освещаемый Солнцем.

Лунный пояс

Проект космической энергетики представленный компанией Shimizu в 2010 году . По задумке японских инженеров это должен быть пояс из солнечных батарей протянутый по всему экватору Луны (11 тыс. километров) и шириной 400 километров.

Солнечные панели

Так как производство и транспортировка такого количества солнечных батарей с земли не представляется возможным, то по замыслу ученых солнечные элементы должны будут производиться прямо на Луне. Для этого можно использовать лунный грунт из которого можно делать солнечные батареи.

Передача энергии

Энергия с этого пояса будет передаваться радиоволнами с помощью громадных 20 километровых антенн и приниматься ректеннами здесь, на Земле. Второй способ передачи который может использоваться это передача световым лучом с помощью лазеров и прием свето-уловителем на земле.

Преимущества системы

Технологии применяющиеся в космической энергетике

Беспроводная передача энергии на Землю

Беспроводная передача электроэнергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или Лунной станции к Земле. Энергия может быть передана с помощью лазерного излучения или СВЧ на различных частотах в зависимости от конструкции системы. Какой выбор был сделан, чтобы передача излучения была не ионизирующей, во избежание возможных нарушений экологии или биологической системы региона получения энергии? Верхний предел для частоты излучения установлен таким, чтобы энергия на один фотон не вызывала ионизацию организмов при прохождении через них. Ионизация биологических материалов начинается только с ультрафиолетового излучения и, как следствие, проявляется при более высоких частотах, поэтому большое количество радиочастот будет доступно для передачи энергии.

Лазеры

Преобразование солнечной энергии в электрическую

В космической энергетике (в существующих станциях и при разработках космических электростанций) единственный способ эффективного получения энергии это использование фотоэлементов. Фотоэлемент - электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию . Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43 % .

Получение энергии от СВЧ волн испускаемых спутником

Так же важно почеркнуть способы получения энергии. Один из них это получение энергии с помощью ректенн. Ректенна (выпрямляющая антенна) - устройство , представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока . Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью (например диод). В таком варианте конструкции антенна совмещается с детектором, на выходе которого, при наличии падающей волны, появляется ЭДС. Для повышения усиления такие устройства могут быть объединены в многоэлементные решётки.

Преимущества и недостатки

Космическая солнечная энергия - энергия, которую получают за пределами атмосферы Земли. При отсутствии загазованности атмосферы или облаков, на Землю падает примерно 35 % энергии от той, которая попала в атмосферу. Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96 % времени. Таким образом, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли (на высоте 36000 км) будет получать в среднем в восемь раз больше света, чем панели на поверхности Земли и даже больше когда космический аппарат будет ближе к Солнцу чем Земля. Дополнительным преимуществом является тот факт, что в космосе нет проблемы с весом или коррозии металлов из-за отсутствия атмосферы.

С другой стороны, главный недостаток космической энергетики и по сей день является её высокая стоимость. Средства, затраченные на вывод на орбиту системы общей массой 3 млн т. окупятся только в течение 20 лет, и это если принимать в расчёт удельную стоимость доставки грузов с Земли на рабочую орбиту 100 $/кг. Нынешняя же стоимость вывода грузов на орбиту намного больше.

Вторая проблема создания ОЭС - большие потери энергии при передаче. При передаче энергии на поверхность Земли будет потеряны, по крайней мере, 40-50 %.

Основные технологические проблемы

По данным американских исследований 2008 года, есть пять основных технологических проблем, которые наука должна преодолеть, чтобы космическая энергия стала легкодоступной:

Фотоэлектрические и электронные компоненты должны работать с высокой эффективностью при высокой температуре.

Беспроводная передача энергии должна быть точной и безопасной.

Космические электростанции должны быть недорогими в производстве.

Низкая стоимость космических ракет-носителей.

Поддержание постоянного положения станции над приёмником энергии: давление солнечного света будет отталкивать станцию от нужного положения, а давление электромагнитного излучения , направленного на Землю, будет толкать станцию от Земли.

Другие способы использования космической энергии

Использование электроэнергии в космических полетах

Кроме того, чтобы излучать энергию на Землю, спутники ОЭС могут также питать межпланетные станции и космические телескопы. Так же это может быть безопасной альтернативой ядерным реакторам на корабле который полетит на красную планету . Другой сектор, который может извлечь выгоду из ОЭС будет космический туризм .

Примечания

Glaser, Peter E. (December 25, 1973). “Method And Apparatus For Converting Solar Radiation To Electrical Power” . United States Patent 3,781,647 .

В космосе нет атмосферы, там никогда не идет дождь, а на геостационарных орбитах никогда не наступает ночь: это идеальное место для солнечной электростанции, которая будет собирать энергию 24 часа в сутки, 365 дней в году. $CUT$ Чистая энергия сверху

США, Китай, Индия и Япония уже разрабатывают собственные проекты, которые будут включать роботизированные массивы солнечных батарей, которые будут направлять на Землю гигантское количество чистой и возобновляемой энергии без проводов.

Некоторые варианты предполагают отправку до 1 ГВт энергии с помощью лучей на Землю - этого достаточно для питания крупного города. По мнению Пола Яффе, космического инженера из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, концепция абсолютно обоснована научно.

«NASA и Министерство энергетики США провели исследование в конце 70-х годов, которое обошлось им в 20 миллионов долларов, и подробно изучили концепцию, - говорит Яффе. - На тот момент все пришли к выводам, что проблем с физикой нет никаких, но есть вопросы по части экономики».

Основная проблема - это стоимость ряда космических запусков, которые необходимы для строительства спутника, передающего энергию. Учитывая стоимость запуска в 40 000 долларов за килограмм в некоторых случаях, конечная цена первой космической солнечной электростанции может достигать 20 миллиардов долларов.

Частные подрядчики

По мере того как мы входим в эру частного освоения космоса, что значительно снижает стоимость запуска, основная физика говорит о том, что доставка грузов в космос остается чрезвычайно дорогой.

«Эта тема пересматривается каждые 10 лет, когда технологии меняются, а значит меняется и экономическая сторона вопроса».

Яффе говорит, что война на Ближнем Востоке дала новые импульсы развитию космических солнечных станций, поскольку научные инженеры столкнулись с проблемой доставки энергии во враждебные районы. Многочисленные и спрятанные приемники могли бы улавливать космическую энергию и обеспечивать военных, которым не пришлось бы тащить опасные и дорогие дизельные генераторы по воде или воздуху.

«Если бы вы могли добывать электричество из космоса, вы наверняка задумались бы».

Вопросы безопасности

Есть два способа доставки энергии на Землю: в форме лазерных лучей или микроволн.

Вариант с лазерными лучами включает отправку небольших передающих лазеры спутников в космос и относительно низкую стоимость, от 500 миллионов до 1 миллиарда долларов. Самособирающиеся спутники еще больше снизят расходы, а лазеры небольшого диаметра будет довольно легко собирать на Земле.

Но с выдачей от 1 до 10 МВт понадобится много спутников для обеспечения достаточного количества энергии. Кроме того, у спутников будут проблемы с лазерной передачей во время облачной или дождливой погоды.

Вариант с микроволнами предполагает беспрепятственную передачу во время дождя, снега или других атмосферных условий и сможет передавать гигаватты энергии.

Микроволновая технология, по словам Яффе, существует много десятилетий: еще в 1964 году ученые смогли передать энергию на вертолет с помощью микроволн. Яффе говорит, что при большой области передатчика микроволны будут настолько рассеяны, что не будут представлять опасность для жизни. Но главным их недостатком остается необходимость сотни запусков в космос, которые позволят построить космическую станцию. Все это выливается в десятки миллиардов долларов.

«К сожалению, стоит отметить, общество не очень любит микроволны и лазеры, поскольку микроволны чаще ассоциируют с микроволновками на кухне, а лазеры - с космическими сражениями в научной фантастике».

Энергетический сэндвич

Исследование Яффе, сосредоточено на так называемых «сэндвичных модулях» - элемента солнечных батарей, которые преобразуют солнечный свет в энергию. Одна сторона «сэндвича» получает солнечную энергию с помощью фотоэлектрической панели, электроника в центре преобразует ток в радиоволну, а антенна на другой стороне отправляет пучок на землю.

«Люди, наверное, не знают, что радиоволны могут передавать энергию, - говорит Яффе. - Поскольку привыкли думать о радио в контексте связи, телефонов или телевизоров. Они не задумываются о том, что радиоволны могут передавать энергию».

Несмотря на то, что все технологии уже доступны для оснащения космической солнечной батареи, Яффе считает, что первая такая станция появится еще нескоро. Даже несмотря на то, что японцы сделали такую станцию одним из столпов своей космической программы.

«Без научно-исследовательской базы, которая у нас, в США, к примеру, исследует энергию термоядерного синтеза, едва ли мы добьемся прогресса. Если японцы добьются успеха в ближайшие пять лет, люди могут заговорить о том, почему мы ничего не делаем».

В конечном итоге, говорит Яффе, сложно сказать, что эта идея жизнеспособна, пока вы на самом деле не попробуете ее реализовать.

Где будем размещать КСЭ? Вероятнее всего на ГСО. На других орбитах надо или приёмники по всей планете ставить, или кучу аккумуляторов с собой возить.

Не будем пока фантазировать, а разберёмся с имеющимися возможностями

РН «Ангара» с космодрома «Плесецк» донесёт до ГСО 3-4 тонны. Что можно в них засунуть? Очень приблизительно квадратов 100 панелей солнечных батарей. С постоянной направленностью на Солнце и КПД процентов 20 можно выжать по 300 Вт с квадрата. Предположим они будут деградировать по 5% в год (надеюсь никого не удивит, что солнечные панели в космосе портятся от радиации, микрометеоритов и пр.).
Давайте считать: (100*300*24*365*20)/2=2 628 000 000 Вт ч.
Чтобы осознать весь масштаб проблемы, пусть эти мегаватты без потерь добираются до Земли. Мощность внушает, но что если мы никуда не летим. В наличии 300 тонн керосина. Керосин почти бензин. Делает ещё одно допущение и берём обычный бензогенератор (200КВт за 50 литров в час).
200000*300000/50=1 200 000 000 Вт ч
Что получается: сливаем бензин с ракеты и уже получаем половину мощности.
Ещё полракеты занимает жидкий кислород. Хотел посчитать охлаждение и сжижение через теплоёмкость, но потом просто попалась цена в интернете 8200 рублей за тонну жидкого кислорода. Поскольку в себестоимости практически одно электричество получим (киловатт пусть будет 2 рубля):
300*8200*1000/2= 1 230 000 000 Вт ч
Опа, вторая половина. Уже КПД 0%. Это мы ещё ракету не считали.

А вот мы изобретём некий закидыватель полезных грузов на орбиту

То есть каким-то образом сообщим панелям кинетическую энергию в виде 10км/с:
3000*10000 2 /2 = 150000000000 Дж = 41 700 000 Вт ч
Вроде бы налицо КПД 5000%, но есть некоторые проблемы:
- достаточно высоко выбросить объект вряд ли получится, поэтому часть массы и энергии необходимо потратить на преодоление атмосферы;
- всё что выброшено с Земли по законам баллистики на Землю и вернётся, то есть ещё часть массы уйдёт на подъём перигея.
Пускай тонна ушла на теплозащиту. Посчитаем изменение орбиты:
ΔV=корень((3,986ּ10 14 /42000000)(1+2*6000000/(6000000+42000000)))=3441 м/с
Лучшие движки дают импульс 4500. Берём формулу Циолковского:
М конечная =2000/exp(4500/3500)=572 кг
А давайте возьмём электроракетные двигатели, импульс же раз в 10 больше и панели у нас есть. Да, но при имеющейся мощности панелей, тяга будет миллиньютоны, и на переход уйдут годы. А у нас до приземления всего пара часов.
В итоге: минус двигатель, баки, перегрузки - хорошо, если получим столько же.

А давайте поднимем панели на лифте

Идея в целом неплохая. Если просто поднять груз на высоту, то считаем изменение потенциальной энергии:
3000*9.81*36000000/3600 = 294 300 000 Вт ч
Как их сообщить грузу? Варианты передачи электричества:
- По самому лифту. Нетрудно представить потери и массу проводника длиной 36000 км. Сам бы лифт построить.
- Лазером – минус существенная часть массы на преобразование.
- Какое-то число панелей доставить традиционным способом и потом бесплатно поднять остальные на верёвочке. На мегаватт мощности надо 3 км 2 панелей. При этом на подъём груза понадобится две недели. Т.е. тот же мегаватт мы поднимем за год.

Прочие сложности

Свободно оперируя километрами панелей и эффективностью приёма солнечной энергии в космосе, редкие авторы рассказывают а как они собираются ориентировать панели на Солнце. ГСО стационарно только относительно Земли. Соответственно нужны механизмы, топливо.
Ещё нужны преобразователи, хранители, приёмники на Земле. Много ли потребителей у экватора? Высоковольтные линии через половину шарика. Если это всё помножить на не 100% вероятность выполнения задачи, спрашивается кому это вообще по силам?

Выводы:

- При существующих технологиях строить космическую солнечную энергостанцию нерентабельно.
- Даже, если поднять всё на космическом лифте, ко времени завершения строительства встанет вопрос как утилизировать выходящие из строя панели.
- Можно подогнать к Земле астероид и наделать панелей из него. Что-то мне подсказывает, что к тому времени как мы это сможем, уже не будет необходимости передавать энергию на Землю.

Однако дыма ведь без огня не бывает. И под кажущимися мирными намерениями могут скрываться совсем другие.
Например, строительство боевой космической станции на порядки проще и гораздо эффективнее:
- орбиту можно и нужно выбрать пониже;
- 100% попадание в приёмник необязательно;
- очень малое время от нажатия на кнопку пуск до поражения цели;
- отсутствие загрязнения местности.

Вот такие выводы. Возможно вычисления содержат ошибки. Традиционно предлагаю читателям их поправить.