CC BY
75УДК 620.91
Дата направления в редакцию: 06-04-2020 Дата рецензирования: 07-04-2020 Дата публикации: 20-06-2020
Набиуллин Динар Ильдарович
Студент Института электроэнергетики и электротехники, Казанский государственный энергетический университет, E-mail: [email protected]
Целовальникова Дарья Львовна
Студент Института электроэнергетики и электротехники, Казанский государственный энергетический университет, E-mail: [email protected]
Вилданов Рустем Ренатович
Кандидат технических наук, доцент кафедры ТЭС, Казанский государственный энергетический, E-mail: [email protected]
Nabiullin Dinar Ildarovich
Student of the Institute of
Electric Power and Electrical Engineering
Kazan State
Power Engineering University E-mail: [email protected]
Tselovalnikova Daria Lvovna
Student of the Institute of
Electric Power and Electrical Engineering,
Kazan State
Power Engineering University, E-mail: [email protected]
Vildanov Rustem Renatovich
Candidate of Sciences in Technology, Associate Professor of the Department of Thermal power stations Kazan State Power Engineering University E-mail: [email protected]
КОСМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА SPACE-BASED SOLAR POWER
Аннотация (на рус). Концепция генерации солнечной энергии в космосе для беспроводной передачи на приемники к земле и МКС обсуждались довольно долго в течение последних трех десятилетий. Из-за технологической и экономической неосуществимости начала 1980 годов, проект стал постепенно сворачиваться. Но с развитием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, резкого скачка на потребление электроэнергии, а также роста космического туризма данная концепция стала приобретать все больше доводов в пользу реализации таких проектов через несколько десятков лет.
Abstract (in Eng). The concept of generating solar energy in space for wireless transmission to receivers to the earth and the ISS has been discussed for quite some time over the past three decades. Due to the technological and economic impracticability of the early 1980s, the project began to be phased out. But with the development of non-traditional and renewable energy sources, a sharp jump in electricity consumption, as well as the growth of space tourism, this concept began to acquire more and more arguments in favor of implementing such projects after several decades.
Ключевые слова: солнечная энергетика, космос, передача электроэнергии.
Keywords: solar energy, space, electricity transmission.
Солнечная космическая энергетика - вид альтернативной энергетики, предусматривающий использование энергии Солнца, для выработки электроэнергии, с расположением энергетической станции на геостационарной орбите Земли.
Космические солнечные электростанции (SPS) - это крупные космические структуры, которые преобразуют солнечную энергию, улавливаемую солнечным излучением, в форму энергии, где передается беспроводным способом на любую удаленную приемную станцию. Этот приемник может находиться
либо на Земле, либо на высотной платформе (самолете), на другом космическом корабле или даже на поверхности Луны или других планетах. Первоначальная идея возникла в 1970-х годах чешско-американским инженером доктором Питером Глейзером, и с тех пор были проведены различные исследования. Эти исследования привели к большому разнообразию концепций, в которых используются различные формы принципов производства, преобразования и передачи энергии.
Схема технологии.
Система предполагает наличие аппарата-
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАЖИ. N 1. 2020 Г.
47
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:
1) средства сбора солнечной энергии в космическом пространстве, например, через солнечные батареи;
2) средства передачи энергии на землю, например, через СВЧ-излучение или лазерные аппараты;
Преимущества передачи лазерного луча.
Не мешает ТВ, радио, Wi-Fi, сотовому телефону и другим коммуникационным сигналам.
Требуется меньшее передающее и принимающее оборудование, по сравнению с микроволновой передачей (например, для установки мощностью 1 ГВт потребуется передающая оптика диаметром около одного метра и наземный приемник шириной в несколько сотен метров).
Недостатки передачи лазерного луча.
Страдает от атмосферных потерь из-за факторов окружающей среды, таких как, дождь и облака, и, следовательно, не может обеспечить непрерывную мощность
Имеет низкую эффективность преобразования.
Может потребоваться огромные системы хранения аккумуляторов на земле.
Несет в себе риск причинения вреда коже и глазу, если с ним плохо справиться.
Преимущества микроволновой беспроводной передачи энергии.
Преимущества от высокоразвитой микроволновой технологии, способной достигать эффективности до 85%.
Достигает более низкого атмосферного ослабления.
Недостатки микроволновой беспроводной передачи энергии.
Требуется управление потерей энергии при преобразовании постоянного тока в микроволны.
Может вызывать радиочастотные помехи.
Требуется большое передающее и приемное оборудование.
Каждый из двух методов беспроводной передачи энергии, на основе микроволнового и лазерного излучения, имеет свои преимущества и недостатки. В попытке разработать оптимальную систему, некоторыми исследователями был рассмотрен гибридный подход.
В такой системе лазер передавал бы энергию от солнечной батареи на базовую станцию на орбите (платформу фотоэлектрической батареи). Базовая станция будет преобразовывать энергию от лазера в электричество, а затем в микроволновое излучение, которое передается на приемную станцию на Земле. Таким образом, лазерный луч используется там, где он не испытывает значительного ослабления из атмосферы, а затем передача изменяется на микроволновое излучение, которое в гораздо меньшей степени подвержено атмосферному ослаблению.
3) средства получения энергии на земле, например, через ректенны;
Космический аппарат будет находиться на геостационарной орбите, таким образом, ему не нужно будет 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.
В связи с энергетическим кризисом 1970 годов правительство США выделило миллионы долларов космическому агентству NASA для расчёта целесообразности данного проекта. Технико-экономический расчет показал, что для реализации космической солнечной электростанции мощностью 5000 мегаватт, после передачи на землю энергии и после всех потерь оставалось бы 2000 мегаватт.
На 1975 год примерная стоимость такого проекта оценивалось в триллион долларов. Спустя почти 50 лет, со времени появления идеи, солнечные батареи сильно упали в цене и увеличились в производительности, а грузы на орбиту стало доставлять дешевле, данный проект стал приобретать все больше и больше любопытства среди аэрокосмических агентств США, Китая и Японии.
Преимущества системы.
1) Одним из основных преимуществ сол-
нечнои электростанции является непрерывное производство электроэнергии. В отличие от дневного и ночного цикла солнечных батарей на Земле, солнечная электростанция на геостационарной орбите (35786 км над землей) будет постоянно ориентироваться на Солнце, и обеспечивать постоянный выход во времени.
2) Солнечное излучение за пределами атмосферы Земли значительно выше, чем на Земле, ввиду загазованности атмосферы.
3) Большим преимуществом является беспроводная передача энергии в любую точку планеты. Это устранит требования крупномасштабной электрической сети и позволит динамически распределять электроэнергию в регионах, где это требуется.
4) Ровное геополитическое игровое поле, на котором энергия равномерно собирается и распределяется всеми участвующими странами.
5) В космосе нет проблемы с весом или коррозии металлов из-за отсутствия атмосферы.
Недостатки системы
1) Очевидно, что одной из главных проблем для любого космического спутника солнечной энергии является строительство больших структур на орбите. Мало того, что это требует значительных количеств материала для запуска в космос, эти материалы должны быть собраны, поддержаны и, возможно, заменены с течением времени.
2) Второе осложнение связано с беспроводной передачей энергии на поверхность Земли, которая требует передачи с помощью
электромагнитных волн или лазеров при высокой эффективности передачи. Чтобы оставаться ниже пределов безопасности, для этого потребуются приемные антенны (ректенны).
3) Космический мусор представляет собой серьезную опасность для крупных объектов в космосе, особенно для крупных конструкций.
4) Большие инвестиции для реализации такого проекта.
Заключение
Солнечная космическая энергетика является одной из самых малоизученных и недооцененных видов получения энергии из возобновляемых источников.
Солнечная энергия, полученная в космосе, имеет невысокую стоимость, но основной проблемой остается передача полученной энергии с геостационарной орбиты на поверхность Земли. В статье представлены несколько возможных способов реализации данной концепции с пояснением технологического процесса получения и передачи электроэнергии. Также были выявлены преимущества и недостатки систем передачи энергии с помощью лазерного луча и беспроводной микроволновой передачи энергии. На сегодняшний день солнечная космическая энергетика не может быть исследована в полном объеме из-за недостаточного финансирования.
В статье рассмотрена концепция солнечной космической энергетики. Представлена схема технологии, описывающая технологический процесс получения и передачи электроэнергии с геостационарной орбиты.
References
1. Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program July 1977 - August 1980. DOE/ ET-0034, February 1978. 62 pages
2. Eric Rosenbaum and Donovan Russo (March 17, 2019). "China plans a solar power play in space that NASA abandoned decades ago". CNBC.com. Retrieved 19 March 2019.
3. Glaser, Peter E. (December 25, 1973). "Method And Apparatus For Converting Solar Radiation To Electrical Power". United States Patent 3,781,647.
4. "Case For Space Based Solar Power Development". August 2003. Retrieved 2006-03-14.
5. Satellite Power System (SPS) International Agreements. Prepared by Carl Q. Christol. HCP-R-4024-08, October 1978. 283 pages.
© Д.П. Набиуллин, Д.Л. Целовальникова, P.P. Вилданов, 2020
Ссылка на статью: Набиуллин Д.И., Целовальникова Д.Л., Вилданов Р.Р. - Космическая энергетика // Вести научных достижений. Естественные и технические науки - 2020. - №1. - С. 46-48. DOI: 10.36616/2687-1335-2020-1-46-48 URL: https://www.vestind.ru/journals/architecture/releases/2020-1/ articles?View&page=46
