Космические солнечные электростанции как элементы распределённой энергосистемы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.78

Космические

солнечные электростанции как элементы

распределённой энергосистемы

99

Космические солнечные электростанции (КСЭС) на волоконных лазерах с солнечной накачкой, использующие энергию Солнца, обеспечивают энергонезависимость и экологическую безопасность. Следовательно, разработка способов интеграции КСЭС в существующие и проектируемые энергетические системы является актуальной задачей. Возможны варианты включения КСЭС в распределённые энергосистемы: для обеспечения электроэнергией космической техники при выполнении пилотируемых полётов на Луну, Марс, астероиды; для питания наземной энергетической системы; для снабжения электроэнергией космического индустриального ожерелья «Орбита» (КИО «Орбита»), где солнечная энергия может как применяться напрямую, так и преобразовываться в иные виды энергии, необходимые для работы всех элементов КИО «Орбита» в зависимости от потребностей. При создании и развитии космической солнечной энергетики, в том числе и КСЭС, в высшей степени обязательно международное сотрудничество во всех вопросах, касающихся эффективного устойчивого развития человечества.

Ключевые слова:

космическая солнечная электростанция (КСЭС), центробежные бескаркасные конструкции, лазерное излучение, СВЧ-излучение, распределённая энергосистема, волоконные лазеры с солнечной накачкой, космическое индустриальное ожерелье «Орбита» (КИО «Орбита»).

Кожанова Е.Р.1 Менян Ш.2 3

1 Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина,

г. Саратов, Россия

2 Российский университет дружбы народов, г. Москва, Россия

3 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва, Россия

Введение

Непрерывно возрастающие энергетические потребности человечества побуждают к поиску новых источников энергии в противовес традиционным (ТЭЦ, АЭС, крупные ГЭС), которые наносят ущерб окружающей среде и тем самым ведут к глобальному изменению климата и природным катаклизмам. Решением проблемы экологического энергообеспечения видится развитие альтернативных энергетик, основанных на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ): солнце, ветре, воде (кроме крупных ГЭС), геотермальных источниках, биотопливе. Данная энергия неисчерпаема, она обеспечивает энергонезависимость и экологическую безопасность. ВИЭ дополняют и/или заменяют традиционные источники энергии.

Космическая техника способна урегулировать вопросы, касающиеся стабилизации климата и замещения нефти, природоохранными технологиями путём создания аэрокосмической энергетики [1-3], в которой ставка на солнечную энергетику рассматривается в качестве беспроигрышного и безальтернативного выбора для цивилизации. Известно, что Солнце - огромный, неиссякаемый и экологичный источник питания, а солнечные электростанции - самый экологически чистый способ получения энергии.

Космические солнечные электростанции (КСЭС) с беспроводной передачей электроэнергии наземным и космическим потребителям являются основными элементами

аэрокосмической энергетики как для обеспечения электроэнергией космической техники при выполнении пилотируемых полётов, так и для наземной энергетической системы в малоосвоенных и труднодоступных регионах, где отсутствуют кабельные сети передачи электроэнергии (Сибирь, Камчатка, Дальний Восток, а также районы Арктики и континентального шельфа). Следовательно, разработка вариантов интеграции КСЭС в существующие и проектируемые энергетические системы - актуальная задача.

Обзор литературы

Идею создания КСЭС предложил американский учёный П. Глейзер в 1968 г. В настоящее время их разработкой активно занимаются страны Европейского союза, Россия, Япония, США, Индия, Великобритания, Канада, Израиль и Китай. Двигаясь в данном направлении с 2008 г., Китай в конце 2019 г. объявил о намерениях создать КСЭС к 2035 г. [4]. В Японии после аварии на атомных реакторах (Фукусима, 2011 г.] принята программа реализации КСЭС к 2040 г. [5].

Основные концепции организации КСЭС [6] на сегодняшний день:

• на базе КСЭС, размещаемых на низких околоземных орбитах (проект НПО им. 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); проект КСЭС по программе Пентагона 2007 г. (США); проект Solaren (США));

• на базе лунных космических солнечных электростанций (ЛКСЭС) с использованием орбитальных ретрансляторов энергии (проект ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» (Россия); концепция разработчика Д. Крисвелла из Университета Хьюстона (США));

• на базе ЛКСЭС с прямой передачей энергии (проект Shimizu Corporation (Япония)).

Солнечную энергетику принято делить на:

• наземные солнечные электростанции (СЭС), которые в свою очередь классифицируются в зависимости от диапазона рабочих температур на низкотемпературные (до 600 К, использование фотоэлектрических преобразователей (ФЭП)) и высокотемпературные (теоретически до 6000 К, на практике - 1000 К и 2500 К, применение машинных и термоэмиссионных электрогенераторов).

Недостатки наземных СЭС: размещение на территориях, имеющих значительный энергетический потенциал, но расположенных далеко от потребителей; зависимость от погодных условий, так как потери энергии достигают 60-90 % при прохождении солнечного излучения через атмосферу; огромные площади, которые нужно занимать солнечными электростанциями большой мощности; невозможность эксплуатации в ночное и вечернее время снижает КПД системы в несколько раз [7, 8];

• КСЭС.

В состав КСЭС входят [7, 8]:

• космическая платформа для сбора и преобразования солнечной энергии в электрическую (2, 3, рисунок 1);

• канал преобразования электрической энергии в лазерную или микроволновую энергию для дальнейшей её передачи на Землю (5, рисунок 1);

• сеть наземных пунктов приёма лазерной или микроволновой энергии с последующим преобразованием в электрическую, где может накапливаться электроэнергия для дальнейшего её обмена с другими пунктами (6, рисунок 1).

© Орбита

Космический сегмент

© Концентраторы © Фотопреобразователи

Силовая электроника и система управления

Спутниковая платформа

Микроволновая антенна (или зеркальная система)

© Ректенна (или фотопреобразователи)

Без концентратора:

© • простая конструкция;

• использование тонкослойных фотопреобразователей;

• легко увеличить площадь фотопреобразователей;

0 • требуется поворотный узел высокой мощности;

• сложная система управления каналом передачи энергии

Наземный сегмент

С концентратором:

© • эффективно используются

многослойные фотопреобразователи;

• малая площадь фотопреобразователей;

• нет поворотного узла;

© • сложная конструкция;

• необходима высокоэффективная система охлаждения

Рисунок 1 - Структура КСЭС: а - конфигурация; б - классификация

a)

б)

КСЭС лишены недостатков наземных СЭС [9-12]:

• энергия доступна практически круглосуточно и не зависит от погодных условий;

• энергия может быть передана абсолютно в любой район поверхности, включая северные территории, что делает применение КСЭС актуальным;

• не расходуются полезные ископаемые Земли (уголь, газ, нефть и др.);

• не возникают вопросы, связанные с выбросом СО2 или других загрязняющих атмосферу веществ; отсутствуют проблемы с захоронением радиоактивных и/или переработанных отходов;

• наземные приёмные пункты могут располагаться на крышах или водных платформах, что позволяет эффективно использовать площади. Микроволновый (или лазерный) пучок легко перебрасывается от одного приёмного наземного пункта на другой, обеспечивая оперативное переключение удалённых потребителей.

Выбор орбиты (рисунок 2) определяет преимущества и недостатки КСЭС.

В [7] приводится анализ преимуществ и недостатков типов орбит, на которых планируется размещать КСЭС; представлены рекомендации по их использованию (графа «Примечания» таблицы).

70 000 км

Высокоэллиптическая суточная орбита

Низкоэкваториальная орбита

Геостационарная орбита (GEO)

Рисунок 2 - Виды орбит [1]: L1 - размещение в точке Лагранжа

Таблица - Преимущества и недостатки типов орбит для работы КСЭС [1, 7]

Тип орбиты Преимущества Недостатки Примечания

LEO (круговая орбита) Короткая дистанция Небольшая антенна космического аппарата (КА) Низкие затраты на выведение Большие перерывы в передаче энергии Большое количество приёмных антенн Сложность управления Подходит для отработки демонстрационной КСЭС

GEO (геостационарная орбита) Непрерывная передача энергии Единственная приёмная антенна (ректенна) Простое управление Большая дистанция Большая антенна КА Высокие затраты на транспортировку Трудное обслуживание Подходит для коммерческой КСЭС

SSO (солнечно-синхронная орбита) Простота наведения панелей на Солнце и наведение антенны КА на ректенну на Земле Сложность управления Большое количество ректенн Подходит для специализированной КСЭС

L1 (размещение в точке Лагранжа) Непрерывная передача энергии Простое управление Возможность размещения большого количества КА Большая дистанция Большая антенна КА Большие затраты на транспортировку Трудное обслуживание Следующий шаг к развитию будущих КСЭС

Выбор орбиты и конструкция солнечных батарей КСЭС определяют её мощность и обуславливают схемы компенсации кинетического момента вращающейся солнечной батареи (СБ) [9-12] (рисунок 3):

1) две вращающиеся солнечные батареи с параллельными осями вращения располагаются по разные стороны от спутниковой платформы (рисунок 3а);

-V-

Рисунок 3 - Схемы компенсации кинетического момента СБ [11]

2) одна вращающаяся солнечная батарея с маховиком противовращения в виде грузов на тросе или тросовой кольцевой системы (рисунок 3б), а также двух соосно противовращающихся батарей, не затеняющих друг друга;

3) одна вращающаяся солнечная батарея с компенсацией кинетического момента топливом двигателей системы ориентации (рисунок 3в).

Первому варианту, содержащему элемент «каркасно-сти» в виде раздвижной штанги, присущи недостатки каркасных и бескаркасных систем. Значит, предпочтительнее второй и третий варианты. Третий технически проще второго, поскольку способен задействовать неуправляемую схему агрегата раскрытия с одним электроприводом вращения, однако из-за ограниченности топлива на борту спутниковой платформы может рассматриваться в основном применительно к спутниковым платформам малой и средней размерности. Второй вариант наиболее универсален, хотя и сложнее, так как использует два полностью управляемых электропривода (вращения и роспуска). Применим на любой спутниковой платформе [11].

Преимущества центробежных бескаркасных космических конструкций СБ над каркасными аналогами [9-12]:

• отсутствие жёсткого каркаса, составляющего до 50 % стоимости всей системы;

• нечувствительность к метеоритной опасности;

• допустимость переориентации (слежения за Солнцем) на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела ввиду того, что сама центробежная система является тяжёлым гироскопом;

• малый объём укладки при транспортировке;

• возможность эффективной наземной отработки, автоматизированного развёртывания и обратного свёртывания на орбите при необходимости изменения дислокации;

• уникальный отечественный опыт наземной и орбитальной отработки.

Мощность СБ зависит от её массогабаритных размеров. При проектировании важно увеличить площадь принимающей поверхности СБ при минимизации её массы. Самым распространённым решением указанной задачи являются плёночные СБ. В настоящее время ведётся разработка плёночных материалов для СБ с учётом достижений в области нано- и метаматериалов [13-15].

Известные концепции КСЭС [4] предусматривают применение полупроводниковых фотопреобразователей солнечной энергии в электроэнергию. Данные полупроводники располагаются на геостационарной или иной орбите перпендикулярно солнечным лучам. Собранная с площади

а)

б)

в)

всех фотопреобразователей электроэнергия преобразуется в СВЧ- или лазерный сигнал различного диапазона длин волн, не поглощаемый в пути из космоса на Землю и передаваемый на наземную ректенну.

Следовательно, создание бескаркасных центробежных конструкций КСЭС может гарантировать значительное снижение финансовых затрат и времени на реализацию проекта при использовании космических солнечных энергосистем по сравнению с альтернативными схемами прошлых лет [10-12]. Важнейшая миссия КСЭС (кроме сбора и аккумуляции электроэнергии) - качественная передача полученной электроэнергии космическим и наземным потребителям с формированием распределённых гибридных энергетических систем.

Описание метода

При интеграции КСЭС в существующие и/или проектируемые энергетические системы встаёт вопрос беспроводной передачи энергии, обладающей высоким КПД. В настоящее время рассматриваются СВЧ- и лазерное излучение.

Приемлемый частотный диапазон СВЧ-излучения, по результатам многолетних научных исследований наиболее пригодный для передачи больших мощностей

с минимальными потерями энергии при прохождении через атмосферу Земли, группируется вблизи несущей частоты (= 2,45 ГГц. При этом длина СВЧ-волны составляет 10-12 см. Проходя через толщу ионосферы и атмосферы, она практически не искажается. Потери фазового фронта в 3-7 % наблюдаются только при интенсивных осадках (100-150 мм/ч). Для волн меньшей длины быстро растёт затухание; для волн большей длины увеличивается размер антенн.

У лазерного излучения (в отличие от СВЧ-излучения) наблюдаются потери при передаче энергии из-за наличия аэрозолей и турбулентностей атмосферы. Критичными являются энергопотери на наземных приёмных солнечных батареях, имеющих КПД 40-60 %. На рисунке 4 показано, что при смещении линии излучения высокоэффективных волоконных лазеров в диапазон 1000-1100 нм и 1300 нм происходит попадание в зону прозрачности атмосферы, что указывает на путь повышения эффективности лазерного способа передачи энергии и, следовательно, на возможность увеличения КПД [15-18].

Существенные успехи в разработке волоконных лазеров в последние десятилетия привлекли внимание создателей космических солнечных электростанций, что породило возникновение лазерной концепции КСЭС.

Спектр оптического пропускания атмосферы

Линии излучения

высокоэффективных

волоконных

лазеров

Рисунок 4 - Сопоставление спектра оптического пропускания атмосферы и линий излучения высокоэффективных волоконных лазеров [18]

Волоконные лазеры способны дать узкий луч на пять поряд- центробежные силы для формирования бескаркасной пло-ков меньший по площади СВЧ-луча на Земле. Нитеподобность ской площадки из волоконных лазеров, перпендикулярной волоконного лазера позволяет рационально использовать солнечным лучам (рисунок 5).

I уровень

I уровень

Электропривод

Зеркальная Оптико-система электронная система

Фотопреобразующая платформа

КА-приёмник

Радиосистема

Электропривод

Зеркальная система

Лазерное излучение

Фотопреобразующая платформа

Радиосистема Лазерные маяки

Оптико-

электронная

система

III уровень

IV уровень

Электропривод

Зеркальная система

Лазерное излучение

Лазерные маяки

Лазерные маяки

Фотопреобразующая платформа

КА-приёмник

Устройство обращения волнового фронта

Волоконный оптический усилитель

Лазерное излучение

Сигнальный лазер

Фотопреобразующая платформа

Рисунок 5 - Схема наведения лазерного канала передачи энергии с КСЭС [11]

Преимуществами волоконных лазеров с солнечной накачкой в отличие от СВЧ-систем [10, 16-18] являются:

• отсутствие жёсткого каркаса, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию;

• солнечная накачка волоконного лазера исключает необходимость использования солнечных батарей, при этом массу КСЭС реально уменьшить на 2-3 порядка;

• на пять порядков меньшая расходимость лазерного луча (10-6 рад] по сравнению с СВЧ-сигналом. Следовательно, уменьшается площадь приёмной ректенны;

• реальные достижения в миниатюризации элементной базы (по световоду диаметром 250 мкм передаётся световая мощность 50 кВт];

• возможность приёма энергии в высокоширотных районах России от КСЭС, находящейся на геостационарной орбите;

• российские производители волоконных световодов сейчас занимают ведущие позиции в мире (85 % мирового производства];

• ресурс более 100 000 ч.

Экологическая опасность КСЭС с лазерным излучением в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн значительно ниже по сравнению с КСЭС с СВЧ-излучением по следующим причинам [10, 11]:

• меньшее биологическое воздействие, поскольку СВЧ-луч проходит (аналогично радиосигналу) через биологическую структуру и оказывает на неё объёмное воздействие, в то время как ИК-луч (подобно световому диапазону длин волн) оказывает только поверхностное воздействие, которое эффективно экранируется;

• локальность приёма и воздействия энергии на существенно меньшей площади приёма;

• принципиальная допустимость расфокусировки лазерного луча до любого требуемого уровня при невозможности точного наведения на приёмную ректенну.

На рисунке 6 показана принципиальная схема компоновки отражателя - единичного модуля центробежной КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой [11].

Рисунок 6 - Схема компоновки отражателя - единичного модуля КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой: 1 - волоконный лазер; 2 - штанга, раскрываемая из чечевицеобразного профиля; 3 - приборный контейнер; 4 - центробежная СБ для собственных нужд, играющая роль маховика противовращения; 5 - лазерный луч

В реальной схеме густота волоконных лазеров и диаметр охватываемого ими пространства значительно больше для набора требуемой мощности. Принципиальное положительное отличие указанной схемы - отсутствие солнечных батарей и, соответственно, цикла преобразования солнечной энергии в электрическую на солнечных батареях, а также цикла преобразования данной электрической энергии в лазерную на твёрдотельных лазерах. Солнечная накачка сразу запитывает лазер [18]. При этом не только исключаются два цикла преобразования с сопутствующими потерями, но и сильно упрощается конструкция и более чем в 10 раз снижаются её массовые характеристики. Возникает новое направление совершенствования КСЭС, связанное с повышением эффективности солнечной накачки лазеров (снижение порога генерации, смещение длины волны в окно прозрачности атмосферы) и подавлением колебаний платформы с вращающимися конструкциями.

По причине отсутствия целенаправленного финансирования разработок по волоконным лазерам с солнечной

накачкой в России указанная на рисунке 6 конструкция не может быть реализована. Главный аргумент - неимение лазеров с достаточной эффективностью. Такие лазеры разрабатываются 20 лет в г. Турине (Италия) (Boetti N. и др.). Однако нет информации о новых достижениях в этой области. В [19] говорится о новых приборах, разработанных инженерами в Georgia Institute of Technology (США) на основе углеродных нанотрубок. Используя конструкцию нанотрубок, возможно создание как эффективных солнечных батарей, так и лазера с солнечной накачкой с КПД до 50 %.

Проанализированы следующие целевые варианты применения КСЭС:

• энергоснабжение космических потребителей (полёты на астероиды, Луну, Марс) (рисунок 7) [11, 20-25];

• энергоснабжение наземных потребителей. Для построения и интеграции КСЭС в наземные энергетические системы задействуют стратосферные сегменты (дирижабли, аэростаты) (каналы 1, 2, рисунок 8) [2-8, 11, 19-25].

Рисунок 7 - Энергоснабжение Международной космической станции лазерным лучом от центробежной КСЭС [25]

Солнце

Космическая часть КСЭС

Солнечная батарея

Стратосферный аппарат

Лазерное/ СВЧ-излучение

Наземный пункт

Электрическая энергия

Электрическая энергия преобразуется в лазерное/ СВЧ-излучение

Лазер/СВЧ

Потребитель

Стратосферный

аппарат

2 Лазерное/

СВЧ-излучение

Наземный

пункт

Электрическая энергия

Рисунок 8 - Интеграция КСЭС в наземные энергетические системы через стратосферные сегменты

В рамках данного подхода предлагается рассматривать стратосферный сегмент как самостоятельный элемент системы передачи энергии (рисунок 8) в случае отсутствия сигнала с КСЭС при наличии солнечного излучения. То есть помимо аппаратуры, принимающей сигнал с КСЭС, на стратосферном сегменте устанавливается система преобразования солнечной энергии в лазерное и/или СВЧ-излучение.

Возможен также вариант соединения стратосферного сегмента с наземным пунктом при помощи трос-кабеля, что вызывает много споров в его целесообразности из-за вопросов безопасности и технической реализации [11, 25].

Стоит отметить ещё один вариант функционирования КСЭС - как центробежных отражателей для освещения районов Заполярья отражённым с орбиты солнечным светом (рисунок 9). Вопрос практически отрабатывался во время реализации программы космических экспериментов «Знамя-2» [18], в ходе которых применялись единичные модули КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой (рисунок 6). Из-за малой расходимости солнечных лучей освещаемый район может быть сильно локализован.

Рисунок 9 - Освещение районов Земли с орбиты отражённым солнечным светом

В экологическом аспекте при освещении с орбиты есть опасность нарушения веками сложившихся условий биоритмов для флоры и фауны. Такое освещение допустимо практиковать в высокоширотных регионах, для того чтобы нормализовать биоритмы человека в период полярной ночи.

В 1995 г. опубликована научная монография А.Э. Юниц-кого «Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе» (переиздана в 2017 г. и 2019 г. [26]), в которой впервые изложены идеи общепланетарного транспортного средства (ОТС) и космического индустриального ожерелья «Орбита» (киО «Орбита»).

ОТС - это геокосмический летательный аппарат многоразового использования для безракетного индустриального освоения ближнего космоса, выполненный в виде опоясывающего Землю в экваториальной плоскости тора; обеспечивающий индустриальные грузо- и пассажиропотоки с Земли на околоземные экваториальные орбиты и обратно; основанный на единственно возможной (с позиций физики) экологически чистой и с минимальными энергозатратами геокосмической транспортной технологии [26].

При запуске ОТС корпус транспортного средства и всё, что к нему прикреплено (груз, линейные электродвигатели и др.), начинает вращаться в ту же сторону, что и верхняя бесконечная лента, пока не достигнет окружной скорости, равной первой космической скорости, при этом его радиальная скорость упадёт до нуля согласно закону сохранения момента количества движения системы [26]. В месте назначения, на высоте 400-600 км, происходит выгрузка грузов и пассажиров на КИО «Орбита», представляющее собой орбитальный транспортно-инфраструктурный и индустриально-жилой комплекс, охватывающий планету в плоскости экватора на заданной высоте (например, 400 км) и имеющий соответствующую длину в 42 520 км (для высоты 400 км); в котором «бусинки» - это спаренные грузовые и пассажирские гондолы, доставленные на орбиту, с шагом порядка 500 м (в количестве около 160 000 штук общей массой, вместе с грузом и пассажирами, 10 млн тонн), соединённые друг с другом «нитью» - струнными орбитальными дорогами и другими коммуникациями -энергетическими и информационными [26] (рисунок 10).

Рисунок 10 - Космическое индустриальное ожерелье «Орбита» [27]

Известно, что вес на орбите отсутствует. Следовательно, струнные орбитальные дороги можно рассматривать как напряжённые струны, например из армированного алюминия, для передачи электрической энергии между гондолами КИО «Орбита». Вокруг гондол планируется создать инфраструктуру в виде различных индустриальных сооружений (заводов, фабрик, электростанций и др.), а также жилые космические поселения для персонала КИО «Орбита» -ЭкоКосмоДома [26, 27].

Результаты и анализ

Основные виды энергии, важные для жизнеобеспечения КИО «Орбита», - электрическая, механическая, тепловая и световая. Солнечное излучение является единственным первичным источником, энергию которого реально преобразовать непосредственно на орбите во все полезные виды энергии. Прямое или сконцентрированное солнечное излучение может быть превращено в тепловую энергию

нагретых тел, а затем посредством прямой или машинной трансформации - в электрическую энергию. Температуры нагреваемых тел зависят от плотности падающего излучения и организации процессов теплопередачи, в том числе обратного теплового излучения с поверхности [28].

Предлагается вокруг гондол КИО «Орбита» не создавать электростанции в виде «кристаллов», а использовать плёночные солнечные батареи на гондолах и КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой (рисунок 11), что уменьшит массогабаритные размеры гондол, а избыток электроэнергии КСЭС передаст на Землю через стратосферные сегменты, создавая гибридную энергетическую систему Земли.

На рисунке 12 представлена предлагаемая интеграция КИО «Орбита» с КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой для обеспечения его электрической энергией, которая может применяться в качестве как электрической, так и преобразованной в механическую, тепловую и световую энергию для жизнеобеспечения гондол КИО «Орбита» в зависимости от их потребностей.

Рисунок 11 - Ориентировочная схема взаимодействия КИО «Орбита» с КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой: 1 - ректенна (наземный пункт)

Солнце

Космические аппараты Космическая часть КСЭС

Солнечная батарея

Стратосферный аппарат

Лазерное/ СВЧ-излучение

Наземный пункт

Электрическая энергия

Электрическая энергия преобразуется в лазерное/ СВЧ-излучение

Лазер/СВЧ

КИО «Орбита»

Потребитель

Стратосферный

аппарат

Лазерное/

СВЧ-излучение

Наземный

пункт

Электрическая энергия

с солнечной накачкой, имеющего минимальные потери в условиях вакуума, возможно при интеграции данной КСЭС в энергосистему КИО «Орбита». КСЭС, находящаяся на другой орбите, может использоваться для решения иных задач - энергоснабжения дальних полётов, освещения отражённым солнечным светом и энергоснабжения высокоширотных регионов, районов Крайнего Севера и др.

Учитывая достижения в области нано- и метаматери-алов для разработки плёночных СБ и совершенствования КСЭС в области солнечной накачки лазеров, в дальнейшем планируется продумать взаимодействие КСЭС (или совокупности КСЭС, расположенных на различных орбитах) с КИО «Орбита» с целью создания распределённой энергетической системы, предназначенной для обеспечения нужд многоорбитального транспортно-инфраструктурного комплекса, и последующей разработки информационно-управляющей системы генерации, приёма и передачи энергии.

Рисунок 12 - Предлагаемая интеграция КИО «Орбита» с КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой

Передача энергии происходит при приближении КСЭС к орбите, на которой находится КИО «Орбита», путём последовательного наведения лазерного канала передачи энергии на ректенны гондол, находящиеся в области доступности. Сам процесс передачи энергии контролируется персоналом или автоматически при помощи информационно-управляющей системы КИО «Орбита».

Выводы

и дальнейшие направления исследования

Для удовлетворения возрастающих энергетических потребностей человечества необходимо международное комплексное применение распределённых альтернативных энергетик (в том числе и космической солнечной энергетики, основой которой является КСЭС), дополняющих и/или заменяющих традиционные источники энергии, с целью устойчивого развития человечества, снижения ущерба окружающей среде, который приводит к глобальным изменениям климата и природным катаклизмам.

Жизнеобеспечение КИО «Орбита» всеми видами энергии (электрической, механической, тепловой и световой) при помощи преобразования направленного лазерного излучения с КСЭС на волоконных лазерах

Литература

1. Сигов, А. С. Актуальность разработки программы по созданию в России солнечной аэрокосмической энергетики /А.С. Сигов, В.Ф. Матюхин // Лазеры в науке, технике, медицине: сб. науч. тр. XXXI междунар. конф, Москва, Zß-SO окт. Z0Z0 г. /МГТУим. Н.Э. Баумана [и др.]; под ред. В.А. Петрова. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, Z0Z0. - Т. 51. - С. 04-80.

2. Матюхин, В.Ф. Научно-технические основы создания в России солнечной аэрокосмической энергетики / В.Ф. Матюхин //Лазеры в науке, технике, медицине: сб. науч. тр. XXXI междунар. конф, Москва, ZS-SO окт. Z0Z0 г. / МГТУ им. Н.Э. Баумана [и др.]; под ред. В.А. Петрова. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, Z0Z0. - Т. 51. - С. Z4S-Z59.

3. Сигов, А.С. Аэрокосмическая солнечная энергетика -взгляд в будущее/А.С. Сигов, В.Ф. Матюхин//Лазеры в науке, технике, медицине: сб. науч. тр. XXX междунар. конф, Москва, Z-4 окт. Z019 г. / МГТУ им. Н.Э. Баумана [и др.]; под ред. В.А. Петрова. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, Z019. - Т. 50. - С. 1S-Z1.

4. China to Build Space-Based Solar Power Station by ZOSS [Electronic resource]. - Z019. - Mode of access: http// www.xinhuanet. com/english/Z019-1Z/0Z/c_1S8599015. htm. - Date of access: SO.O&ZOZI.

5. Япония планирует построить первую космическую солнечную электростанцию [Электронный ресурс]. - Z009. -Режим доступа: https://mydiv.net/arts/view-Japan-plans-

to-build-the-first-space-solar-power.html. - Дата доступа: 30.05.2021.

6. Сигов, А.С. О концепции развития аэрокосмической энергетики в России на период до 2045 года / А.С. Сигов,

B.Ф. Матюхин, И.Я. Редько//С.О.К. - 2016. - № 10. - С. 80-87.

7. Сысоев, В.К Физико-технические основы проектирования солнечных космических электростанций / В.К. Сысоев, КМ. Пичхадзе, А.А. Верлан // Проектирование автоматических космических аппаратов для фундаментальных научных исследований: сб. ст. / сост. В. В. Ефанов; под ред. В.В. Хартова, В.В. Ефанова. - М.: МАИ-Принт, 2014. - С. 778-830.

8. Концепция разработки космической солнечной электростанции /В.К. Сысоев [и др.]//Вестник «НПО им. С.А. Лавочкина». - 2011. - № 2. - С. 14-19.

9. Проблемы создания в космосе крупногабаритных конструкций /В.М. Мельников [и др.]//Полёт. Общероссийский научно-технический журнал. - 2015. - № 2. - С. 24-29.

10. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции / Г.Г. Райкунов [и др.]. - М.: Физматлит, 2009. - 448 с.

11. Космические солнечные электростанции - проблемы и перспективы /Г.Г. Райкунов [и др.]; под ред. Г.Г. Рай-кунова. - М.: РУДН, 2017. - 282 с.

12. Райкунов, Г.Г. Космические энергодвигательные системы: учеб. пособие/Г.Г. Райкунов, В.А. Комков, В.М. Мельников; под ред. Г.Г. Райкунова. - М.: РУДН, 2021. - 242 с.

13. Технология получения тонких защитных покрытий солнечных батарей для космической техники / А.С. Ли-патьев [и др.] // Успехи в химии и химической технологии. - 2011. - Т. 25, № 5 (121). - С. 93-97.

14. Хмельницкий, Я.А. Разработка конструкции солнечной батареи с минимальной массой для космического аппарата /Я.А. Хмельницкий // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2017. - Т. 73, № 4. - С. 60-66.

15. Кожевников, Л.А. Солнечные элементы и батареи космического применения / Л.А. Кожевников // Решетнёвские чтения. - 2018. - Т. 1. - С. 126-127.

16. Преимущества космических солнечных электростанций с лазерным каналом передачи энергии / Г.Г. Райкунов [и др.]//Известия РАН. Энергетика. - 2012. - № 5. -

C. 38-47.

17. Сигов, А.С. Лазерные системы для беспроводной передачи энергии /А.С. Сигов, В.Ф. Матюхин //Альтернативный киловатт. - 2012. - № 6. - С. 21-27.

18. Волоконные лазеры с солнечной накачкой, формируемые центробежными силами, как новое направление в создании космических информационно-энергетических систем / В.М. Мельников [и др.]// Космонавтика и ракетостроение. - 2014. - № 6. - С. 104-111.

19. Редько, И.Я. Концепция поэтапного развития распределённой энергетики с использованием аэрокосмических солнечных электростанций [Электронный ресурс] / И.Я. Редько, А.С. Сигов. - Режим доступа: https:// www.c-o-k.ru/articles/koncepciya-poetapnogo-razvitiya-raspredelennoy-energetiki-s-ispolzovaniem-aerokos-mi-cheskih-solnechnyh-elektrostanciy. - Дата доступа: 30.05.2021.

20. Сигов, А.С. Концепция поэтапного развития солнечных аэрокосмических энергетических комплексов /

A.С. Сигов, В.Ф. Матюхин //Лазеры в науке, технике, медицине: сб. науч. тр. XXVII междунар. конф., Туапсе, 14-18 сент. 2016 г. //МГТУ им. Н.Э. Баумана [и др.]. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2016. - Т. 27. - С. 10-18.

21. Сигов, А.С. Пути развития солнечных стратосферных аэрокосмических энергетических комплексов с дистанционной передачей энергии/А.С. Сигов, В.Ф. Матюхин // Лазеры в науке, технике, медицине: сб. науч. тр. XXV междунар. конф, Туапсе, 11-15 сент. 2014 г. / МГТУ им. Н.Э. Баумана [и др.]. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова,

2014. - Т. 25. - С. 50-60.

22. Перспективы, проблемы и пути создания лазерных космических электростанций / Г.Г. Райкунов [и др.]// Известия РАН. Энергетика. - 2017. - № 2. - С. 165-176.

23. Щеглов, Г.А. Экологические аспекты использования космических солнечных электростанций для производства информации на орбите / Г.А. Щеглов // Экология и промышленность России. - 2020. - Т. 24, № 10. -С. 50-56.

24. Космическая энергетика России: время переходить к практике /И.Я. Редько [и др.]//С.О.К. - 2016. - № 5. -С. 84-87.

25. Мельников, В.М. Перспективы создания и использования беспроводных систем передачи энергии /

B.М. Мельников, Д.Ю. Паращук, Б.Н. Харлов / С.О.К. -

2015. - № 2. - С. 90-96.

26. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/ А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.

27. Общепланетарное транспортное средство [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://aet.space. - Дата доступа: 30.05.2021.

28. Юницкий, А.Э. Способы преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию для нужд космического индустриального ожерелья «Орбита»/А.Э. Юницкий, В.В. Янчук// Безракетная индустриализация космоса:

проблемыI, идеи, проекты: материалы/ II междунар. науч.-техн. конф, Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астроин-женерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. -Минск: Парадокс, 2019. - С. 208-215.