История развития космической энергетики

Размещено на http://www.allbest.ru

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.

Лазеры.

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