CC BY
31УДК 620.91:66297
А.С. Сигов, В.Ф. Матюхин, В.М. Мельников1
КОСМИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕВЕРНЫХ РЕГИОНОВ РОССИИ
Презентация доклада на XIV Московском международном форуме «ТЭК России в XXI веке». Москва, 2016 г.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ И ЭКОЛОГИЧЕСКИМ КРИЗИС
Слайд 1
- В настоящее время более 60% энергии вырабатывается при сжигании углеводородного топлива, что ведет к огромным выбросам СО;, кислотных газов и других вредных для природы соединений.
- Почвы России потерн.п[ 70% плодородности из-за насыщения сурьмой, мышьяком и т.д. Сжигание углеводородного топлива ведет к увеличению парникового эффекта за счет выбросов СО;
- Все тепловые электростанции, в том числе н АЭС, при выработке
1 кВт-ч электроэнергии выбрасывают в окружающую среду более! кВт ч тепла
Ядерная энергетика:
- Не решены проблемы утилизации как ядерных отходов, так и самих реакторов после окончания срока службы АЭС. Проблемы утилизации работающих АЭС передаются для решения следующим поколениям; -катастрофические последствия в случае аварии или теракта
-Гидроэнергетика - затопление прилегающих территорий,
урон рыбному хозяйству.
Ветроэнергетика - высокий уровень шума, нестабильность СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ-
САМЫЙ ЭкОЛОГПЧЕСШ ЧИСТЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ
1 Александр Сергеевич Сигов - президент МГТУ МИРЭА, академик РАН, д.ф.-м.н., e-mail: sigov@mirea.ru;
Владимир Федорович Матюхин - руководитель Центра аэрокосмической силовой фотоники МГТУ МИРЭА, д.т.н., профессор;
Виталий Михайлович Мельников - главный научный сотрудник ФГУП «ЦНИИМаш», д.т.н., профессор.
Слайд 2
Существующие направления:
о солнечные термальные установки -для нагрева воды и обогрева зданий о солнечные фотоэлектрические системы -для производства электроэнергии
Годовой объем инвестиций в традиционную солнечную энергетику составляет около 38 миллиардов долларов
Установленная мощность фотоэлектрических систем составляет 16 ГВт
НЕДОСТАТКИ ТРАДИЦИОННЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
-О- -О- -О- Л
Слайд 3
Россия может включиться в гонку за лидерство в космической энергетике
_ На Зе\
Ж
раз оо
J
На Землю попадает в энергетическом эквиваленте 1,2 105 ТВт. то есть за год 3810-° кВт-ч, или в 108 раз больше, чем сегодня потребляется в мире и резервы еще около 5 млрд лет
Американский ученый П. Глейзер в 1968 г. предложил идею создания солнечных космических электростанций. На орбите надо разместить большие поля из солнечных батареи. Собранная энергия перелается на Землю с помощью СВЧ-излучения или лазера. Здесь его принимает антенна и далее преобразуется в электричество. Микроволны могут передаваться через атмосферу Земли на частоте от 2,45 до 5,8 ГГц (иллюстрация NSS/Mafic Studios)
Слайд 4
Основные концепции СКЭС :
Размещаемые на низких околоземных орбитах (предложение НПО им. С.А. Лавочкина, Россия);
размещаемые в точках Лагранжа (проект РКК «Энергия», Россия);
Размещаемые на геостационарной орбите (проект ЦНИИМаш, Россия; проект SoIarBird, Япония; КСЭС по программе Пентагона 2007 г., США; проект Olaren, США);
- На базе лунных солнечных электростанций (лунная космическая солнечная электростанция — ЛСЭС) с использованием орбитальных ретрансляторов энергии (Центр Келдыша, Россия; концепция Крисвелла, США);
- ЛСЭС с прямой передачей энергии (предложение Shimizu Corporation, Япония)
Слайд 5
Концептуальные проекты построения КСЭС США и ЯПОНИИ
SPS-ALPHA, США. Этот гигантский космический цветок является антенной решеткой с зеркалами, положение которых регулируется индивидуально. Задняя часть этого цветка является набором фотоэлектрических панелей, с обратной стороны которого,направленной в сторону Земли, имеется множество СВЧ излучателей передатчиков. Эти передатчики передают на Землю в виде С'ВЧ-излучения энергию в диапазоне от десятков до тысяч мегаватт мощности
Space solar power system (SSPS) (Япония). Предусматривает развертывание на геостационарной орбите поля из солнечных панелей плошадью примерно 4-6 км2. Произведенную ими энергию б\дет доставлять на Землю либо поток СВЧ- излучения, либо мошный и высокоэффективный лазер. Средняя выходная мошность такой системы должна составить 1 ГВт, пиковая - 1,6 ГВт
Гелиоэнергетнческие спутники со сколь угодно большой фазированной решёткой), Д. Мэнкинс из Arterais Innovation Management solutions
Проект солнечной космической электростанции SPS-ALPHA (США)
Space solar power system (SSPS) (Япония)
Проект SSPS pea.in*уетея i осуларс i венным органом - Японским агенте гном а>рокосмпчески\ нсс.1елонанпп(.)А\А)
Слайд 6
Itrraki Pnlii^tisH Phi S;sm Cni<™15nra(CE0|
щ ¡ceo,
♦Pin: tturinii »Hin »ib жук»
•ТЫшмт^мк! fejin«:
Финансирование - 21 млрд долл. Планируемая мощность электростаниин-1 ГВт
Массив солнечных батарей площадью 4 км2
Для реализации проекта правительство Японии учредило консорциум на базе корпораций Mitsui, Mitsubishi, NEC, Sharp, Hitachi и др. Два варианта технологии;
1) прямое преобразование солнечной энергии в лазерное излучение с использованием линз Френеля и Nd: YAG лазера
2) преобразование солнечной энергии в СВЧ-изл\ченне
Наземная составляющая КСЭ
*
- щ
Klmmmnnfix ■«эв
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/см2 в центре до 1 мВт/см2 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 ПОЛТи
Слайд 7
Опасения и риски при создании СКЭЛ
И" г
Наиболее противоречивыми вопросами являются, естественно, экология и угроза безопасности людей. К сожалению, авторы проекта ничего не говорят об этих проблемах. Наоборот, предусмотрена опния передачи микроволнового луча с одного передатчика на несколько антенных решеток. При диаметре передающей антенны 1 км, размер наземной зоны концентрации СВЧ-излучения составит порядка 20 км для частоты излучения 2,45 ГГц. Тогда при уровне выходной мощности 5 ГВт плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны составит порядка 23 кВт/м-, а в центре диаграммы на поверхности Земли - 230 Вт/м-.
При увеличении частоты СВЧ-излучения до десятков и сотен гигагерц принципиально возможно инициировать возникновение различных природных явлений в верхних слоях атмосферы
Проекты России по созданию солнечной аэрокосмической энергетики
Российская космическая
яс'0лн®1наяедекгр0ст^н ция --
■
Проект ЦНПНмаша солнечной космической электростанции на базе пленочно-волоконных лазеров с солнечной накачкой
Проектсолнечной космической электростанции на базе фуллерен-кнслород-
нодного лазера с солнечной накачкой (ГОИ)
Проект МИРЭА по созданию солнечной а эрокосмнческой энергетической системы России
Слайд 8
Слайд 9
Концепция создания аэрокосмических электростанций в регионах Крайнего Севера (МИРЭА)
Соитии тгуими
Стратосферные солнечные электростанции с лазерными и СВЧ-магистралями передачи энергии
Слайд 10
Слайд 11
Интегральные со встроенной системой зеркал-концентраторов
Слайд 12
Наиоантенны, создаваемые при помощи ачомпо-c.iocboi о осаждении, moivi обеспечить КНД-рывок всей солнечной жергстнки
ü
и
Специалисты Коннектикутского университета (США) применили атомно-слоевое осаждение для создания массива выпрямляющих наноантенн, точнее — ректенн, предназначенных для давно теоретически обсуждавшихся солнечных батарей высокой эффективности.
Напомним, что КПД солнечных кремниевых батарей не может быть выше 33% даже теоретически. Наноантенны же, как считается, способны иметь эффективность 70-80%, причем при меньшей стоимости
Слайд 13
I кпемпые эксперименты
I I 14 II К I < ц ; К1.1-11 и: К ЧП1К I |1;|1! 111Щ 11111 1М11><1 I и I II НПКИС Ч И'кС КПП
одшеч и (II ¡1 ълекпрос! шиш и СКСЭС) и I не ты« 11Щ к-г » Этши
Разработка проекта демонстрационного прототипа солнечной аэрокосмической энергосистемы (САКЭ)
Разработка ключевых технологий САКЭ, изготовление наземного прототипа демонстрационного САКЭ, наземная отработка технологий и ключевых элементов САКЭ
Создание прототипов воздушного и космического сегментов САКЭ, натурная демонстрационная отработка технологий и элементов космического сегментов САКЭ
Слайд 14
Слайд 15
Перспективы развития
Создание солнечных космических электростанции с СВЧ н лазерными магистралями передачи энергии в настоящее время является реальной и крайне актуальной задачей для России. Солнечные аэрокосмические энергетические комплексы с СВЧ и лазерными магистралями могут стать наиболее предпочтительными для построения распределенной энергетической системы России в районах Крайнего Севера.
Разработка и реализация национальной программы «Солнечная аэрокосмическая энергетика Россия» может стать ключевым моментом к возрождению России в качестве великой мировой державы
Наиболее важными вопросами являются, естественно, экология и угроза безопасности людей, которые необходимо решить при принятии решения о создании СКЭС
Слайд 16
A.S. Sigov, V.F. Matyukhin, V.M. Melnikov2
SPACE-BASED LASER SOLAR POWER STATIONS DESIGNED TO SUPPLY ENERGY TO NORTHERN REGIONS OF RUSSIA
Presentation of the report at the Moscow's XIV International Energy Forum «Russian Fuel and Energy Complex in the XXI Century». Moscow, 2016.
2 Alexander S. Sigov - President of the Moscow Technological University (MIREA), RAS Academician, Doctor of Physics and Mathematics, e-mail: sigov@mirea.ru;
Vladimir F. Matyukhin - Head of the Aerospace Power Photonics Center at the Moscow Technological University (MIREA), Doctor of Engineering, Full Professor;
Vitaly M. Melnikov - Chief Researcher of the Federal State Unitary Enterprise «Central Engineering Research Institute», Doctor of Engineering, Full Professor.
