Источники энергии: история и современность

По сравнению с солнечными энергетическими установками, расположенными на поверхности планеты, установки космического базирования имеют целый ряд несомненных преимуществ. Первое, и самое главное преимущество заключается в непрерывности действия подобной установки, получаемая за счет постоянного облучения установки солнечными лучами. Дополнительными преимуществами является полная независимость от непогодных условий на поверхности планеты и угла наклона оси планеты.

Конечно, при практической реализации этой системы в жизнь возникает целый ряд проблем. Первая проблема связана с габаритными размерами антенны, передающей энергию на поверхность Земли. Исследователи просчитали, что при передаче энергии микроволнами с частотой 2,45 ГГц диаметр передающей антенны будет близок к одному километру. При этом диаметр принимающей энергию области на поверхности Земли должен составлять не менее 10 километров.

Еще не до конца изучен вопрос о КПД при передаче энергии из космоса на Землю, но этот вопрос не вызывает у исследователей больших волнений. На земле были уже успешно проведены эксперименты по беспроводной передаче энергии на большие расстояния. В ходе одного из таких экспериментов была достигнута передача энергии на расстояние около 150 километров, что является значением близким к расстоянию от энергетического спутника до поверхности Земли .

Главное препятствие для начала реализации системы  SBSP в жизнь это сумма денежных затрат необходимых для его построения и вывода в околоземное пространство. Но, в нынешнее время ведутся работы по разработке и внедрению ракет-носителей нового типа SpaceX``s Falcon. Применение таких ракет-носителей позволит существенно снизить азарты на выход в космос компонентов системы SBSP.

 

5.2.. Технологии применяющиеся в космической энергетике.

 

5.2.1. Беспроводная передача энергии на Землю.

     Беспроводная передача энергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или лунной стадии 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  экологии или биологической системы региона получения энергии?  Верхний предел для частоты излучения установлен таким, чтобы энергия на один фотон не вызывала ионизацию 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.

   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 изучения энергии лазером на лунные базы. В 1988 году Грант Логан предложил использовать лазер размещенный на Земле, чтобы обеспечить энергией космические станции, предположительно это можно было осуществить в 1989 году. Предлагалось использование солнечных элементов алмаза при температуре 300ºС 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.

 

5. 2.2. Преобразования солнечной энергии в электрическую.

 

    В космической энергетике (в существующих станциях и при разработке космически электростанций) единственный способ эффективного получения это использование фотоэлементов. Фотоэлемент – электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент,  основанный на внешнем фотоэффекте , создал Александр Столетов в конце XIXвека. 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%.

 

5.2.3. Получение энергии от СВЧ волн испускаемых спутником.

 

      Так же важно подчеркнуть 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 полуволновой 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 решетки.

 

5. 2.4.Лунный пояс.

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

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

    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.

Так как на Луне нет атмосферы и погодных явлений, энергию можно вырабатывать 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.

    Недостатки системы:

1.Слишком  высокая стоимость проекта

2. Отсутствие  даже экспериментальных установок.

 

 

 

5. 3  .Преимущества  и недостатки солнечной энергии на Земле против космической.

 

       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 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 Солнце 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 ее высокая стоимость. Другим недостатком является тот факт, что при передаче энергии на поверхность Земли будет потеря, по крайней мере 40-50%.

 

6. Развитие альтернативных источников энергии в Казахстане.