|
|
Космическая энергетика
<< Назад
|
«Звёздные» батареи – ночная альтернатива солнечным
Российские ученые-ядерщики совершили еще один прорыв в разработке альтернативных источников энергии, создав батарею, которая днем преобразует энергию Солнца, а ночью – звезд.
|
Солнечная энергетика является перспективным направлением, но основная проблема здесь – в невозможности работы установок в темное время суток по понятной причине. Новая уникальная батарея работает 24 часа в сутки, в чем и заключается ее преимущество.
Как рассказал директор центра прикладных исследований ОИЯИ в Дубне Валентин Самойлов, ученые создали новое вещество – гетероэлектрик, благодаря которому батарея может работать на энергии Солнца и звёзд, независимо от погодных условий.
«Эффективность преобразования света в электрический ток у демонстрационного образца в видимой области более чем в два раза выше, чем у обычной солнечной батареи, а в инфракрасной области – в полтора, – объясняет Валентин Самойлов. – А себестоимость гетеро- электрического фотоэлемента ниже, чем у фотоэлемента обычной солнечной батареи».
Презентация «Звездной батареи» состоялась в Дубне в Научном центре прикладных исследований Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). Разработке ещё предстоит пройти путь от демонстрационного образца к опытной установке, но проведенные опыты уже показали, что батарея эффективна не только при солнечной погоде, но и в пасмурные дни, а также вечером и ночью.
|
|
В космос за энергией!
В связи с актуальной проблемой потребления исчерпаемых энергоресурсов, ученые по всему миру ищут источники возобновляемой энергии. Проблема настолько глобальна, что поиски не ограничиваются нашей планетой. Идеи строительства электростанций в космосе несколько лет назад ложились в основу сюжетов фантастических фильмов, а сегодня их рассматривают как реальные перспективы альтернативной энергетики.
|
Проект строительства первой в мире космической электростанции принадлежит компании Solaren. После довольно длительного рассмотрения проект был официально утвержден властями Калифорнии. Планируемая космическая электростанция будет включать несколько спутников, несущих зеркала диаметром 1 км каждое. Эти зеркала будут фокусировать солнечные лучи на группах фотогальванических элементов. Преобразованная в высокочастотное радиоизлучение энергия будет направляться на приемную станцию, расположенную на Земле.
Предположительно электростанция будет запущена в эксплуатацию в 2016 году. Solaren уже заключила первый контракт с компанией Utility Pacific Gas and Electric на поставку электроэнергии в количестве 1.7 ГВт в год на срок 15 лет. Такой выгодный контракт явился прямым следствием постановления властей Калифорнии, которые обязали все энергетические компании штата как можно больше использовать энергию, получаемую от возобновляемых источников энергии. Согласно постановлению, одна пятая часть продаваемой в штате энергии в 2010 году должна быть из возобновляемых источников энергии.
Вслед за Калифорнией космической энергетикой заинтересовались и Японские корпорации Mitsubishi Heavy Industries и IHI. Японцы закладывают на реализацию своих планов более длительные сроки: получать энергию из космоса планируют не позднее 2040 года. Однако их исследования носят достаточно глобальных характер: в разработках участвуют 16 японских промышленных и научных компаний. Предположительная стоимость проекта - 21 млрд долларов.
Компаниями задумано строительство и размещение на орбите Земли крупного космического генератора мощностью 1 ГВт, который постоянно будет производить электричество, передаваемое на Землю. Для этого на высоте 36 тысяч км над нашей планетой разместят солнечные панели общей площадью 4 кв км.
Управляющий директор Института энергетики и экономики Японии Кенцуке Канеико отмечает, что космическая генерация на основе фотоэлектрических панелей может быть очень значимым альтернативным источником энергии, когда ресурсы сжигаемого топлива будут истощены. По прогнозам господина Канеико, 1 гигаватта будет достаточно для энергоснабжения примерно 294 000 частных домов. Оценить стоимость космической электроэнергии пока затруднительно.
На первом этапе, который необходимо завершить до 2013 года, необходимо разработать инновационную технологию, позволяющую передавать электричество на Землю без проводов. Наиболее перспективным вариантом передачи энергии на планету видятся микроволны, но пока не до конца понятно, как это реализовать на практике.
Европейская компания EADS Astrium видит решение этой проблемы в использовании излучения инфракрасного лазера, в которое преобразуется солнечная энергия. Излучение улавливается на Земле и превращается в электроэнергию. Специалисты Astrium считают, что такая технология решает проблемы безопасности, которые возникают при передаче посредством микроволнового излучения, луч которого напоминает по своим свойствам луч мощного радара. Инфракрасное лазерное излучение не обладает таким биологическим воздействием, что подтвердили уже проведенные эксперименты. В настоящее время разработчики данной технологии видят проблему исключительно в размерах лазера, которые ограничивают мощность передаваемой энергии. Технического директора Astrium рассказал журналистам, что в ближайшие пять лет компания планирует осуществить запуск небольшого экспериментального спутника, который будет рассчитан на пересылку из космоса на Землю 10-20 киловатт энергии.
Сегодня на космическую энергетику возлагают большие надежды правительства многих стран. Перспективы очевидны: такая энергия доступна круглосуточно, ее источник практически вечен, а кроме того, она не загрязняет атмосферу. Кроме того, эффективность космической энергии значительно выше, ведь солнечное излучение, которое поступает на фотоэлементы спутника, гораздо интенсивнее, чем то, которое доходит до солнечных батарей на земле, преодолевая облачность и загрязненную атмосферу.
|
|
Орбитальная электростанция
Многие современные достижения науки и техники были предсказаны писателями, взять того же Жюля Верна с его путешествием на Луну и полетами на воздушном шаре. На этот раз ученые хотят воплотить мечту американского писателя-фантаста Айзека Азимова, описанную в рассказе "Логика" из культового цикла "Я, робот". Речь идет о космической станции, снабжающей Землю энергией с помощью луча.
|
Размещенные в космосе панели будут улавливать солнечный свет и преобразовывать его в энергию, которая затем сможет передаваться на наземные приемники, правда, не с помощью микроволн, как у Азимова, а по более безопасному радиолучу. Разработку проекта станции взяла на себя калифорнийская компания Solaren Corporation, заключившая договор о поставках электроэнергии округу Фресно с энергетической корпорацией штата Pacific Gas & Electric. Для начала в 2016 году Solaren планирует поставлять 200 тыс. кВт энергии, а со временем надеется, что спутники смогут генерировать от 1200 тыс. До 4800 тыс. кВт, что примерно равно возможностям одной-трех современных атомных электростанций.
Solaren предполагает расположить на геосинхронной орбите на высоте 36 тыс. км над экватором несколько спутников, которые развернут зеркала площадью несколько квадратных километров, изготовленные из тонкой блестящей пленки. Они будут собирать солнечные лучи и направлять их на батареи фотоэлементов, где солнечная энергия будет преобразована в электромагнитное излучение и направлена на антенны наземной приемной станции. На земле будет построена серия приемных антенн, расположенная на участке площадью несколько квадратных километров. Расфокусировка лучей приведет к простою станции, необходимому для настройки оборудования, но не причинит никакого вреда окружающей среде.
Цена проекта составляет 2 млрд. долларов США, что совсем немного по сравнению с предполагаемой выгодой. Аналогичные проекты начали разрабатывать и в других странах, правда, эти проекты планируется запустить гораздо позже: например, японское космическое агентство JAXA называет в качестве реального срока 2030 год.
Главными достоинствами данного способа получения электричества являются неисчерпаемость ресурса и независимость от времени суток: спутники будут двигаться по геосинхронной орбите и постоянно быть в пределах досягаемости солнечных лучей. Кроме того, излучение не рассеивается земной атмосферой, поэтому вся энергия без потерь будет доходить до приемников.
Не лишен он и недостатков. Основная проблема – высокая стоимость выведения в космос необходимого оборудования. Утверждается, что компания Solaren уже изобрела и даже запатентовала разработки, позволяющие существенно снизить издержки. Однако никакой более конкретной информации не предоставляется. Известно только, что в число мер входят решения для снижения веса аппаратов, например, надувные зеркала, фокусирующие свет на панелях солнечных батарей. А вот вопрос радиаторов, необходимых для охлаждения панелей, остается открытым.
Несмотря на радужные перспективы проект все еще остается научно-фантастическим. Все еще существует проблема фокусирования луча такой мощности, чтобы можно было передать все заявленные киловатты. Эксперимент по беспроводной передаче энергии был проведен НАСА в 1975 году. Тогда луч мощностью 30 кВт был передан на расстояние 1 мили (примерно 1600 метров). Пока что этот рекорд никому не удавалось побить, но у Solaren в запасе есть еще 7 лет.
|
|
Солнечная башня на луне
На первый взгляд сочетание слов в выражении «лунная солнечная энергетическая система» кажется парадоксальным, однако, авторы этой идеи утверждают, что фотоэлектрические преобразователи, установленные на спутнике Земли, смогут непрерывно обеспечивать нас энергией в эквиваленте около двух киловатт на человека.
|
Концепция, суть которой заключается в возведении на Луне массивной астральной энергетической башни, стала победителем конкурса Moon Capital International Design Challenge 2010. Разработанная Брайном Андерсоном, аспирантом Колумбийского университета, эта концепция основана на предложении американского физика д-ра Дэвида Крисуэлла для Lunar Solar Power System. Суть ее заключается в установке на лунной поверхности фотоэлектрических преобразователей, собирающих энергию светила, и последующей передаче генерированной энергии на Землю с помощью микроволновых генераторов.
Лунная Солнечная Электрическая Система пока является теоретической идеей. Конечно, проект имеет несколько недостатков, один из которых касается строительства массивных панелей солнечных батарей, для осуществления которого потребуется как минимум 4400 конструкторов, работающих непосредственно на Луне. Также необходимо около 340 специалистов для работы в странах с низкой лунной орбитой и 400 – в странах с низкой околоземной орбитой.
Возможно, это интересная идея и, по словам разработчика, гипотетически выполнима, однако, к сожалению, она в настоящее время практически недостижима.
|
|
Энергия солнечного ветра
Солнце и ветер являются наиболее популярными и освоенными источниками альтернативной энергии на сегодняшний день. Ученые из Вашингтона предложили синтезировать эти два направления, но не в плане объединения в единую систему солнечных батарей и ветряных установок, а в плане получения энергии от солнечного ветра.
|
Сегодня, в рамках активного развития альтернативной энергетики, даже такие идеи не кажутся слишком фантастическими. В качестве основного механизма используется спутник, который содержит в себе заряженный медный провод для захвата электронов. Спутник двигается в сторону от Солнца со скоростью несколько сотен километров в секунду. Состоящий из 300 метров медной проволоки, двухметрового ресивера (накопителя) и десятиметрового паруса аппарат, как уверяют ученые, способен обеспечивать электроэнергией до 1000 домов. А спутник в натуральную величину – с содержанием 1000 метров медной проволоки и парусом в 8400 км в поперечнике, сможет генерировать энергию в 100 миллиардов раз больше, чем вырабатывают существующие электростанции планеты все вместе.
Группа американских исследователей считает, что технологии, необходимые для сбора электронов от солнечного ветра уже существуют. Но открытым остается вопрос о том, каким образом организовать передачу полученной энергии на Землю. В качестве варианта предполагается оснастить систему лазером с идеальной фокусировкой. Проблема в том, что подобный лазер, показатели рассеивания и потери энергии которого близки к нулю, пока не создан. Если же разработать такое устройство все же удастся, то все экологические и энергетические проблемы планеты будут полностью решены с помощью электронов, брошенных нам небесным светилом.
Если исследователям удастся воплотить свой концепт в реально работающие механизмы, в распоряжении человечества окажется один миллиард миллиардов гигаватт электроэнергии, что значительно больше, чем его настоящие потребности.
|
|
Японская солнечная электростанция в космосе
Проект Space solar power system (SSPS) предусматривает развёртывание на геостационарной орбите поля из солнечных панелей площадью примерно 4–6 квадратных километров. Произведённую ими энергию вниз будет доставлять либо поток микроволнового излучения, либо мощный лазер.
|
Шестнадцать компаний, включая Mitsubishi Heavy Industries, объединились для создания орбитальной солнечной электростанции, призванной поставлять энергию 300 тысячам домов в окрестностях японской столицы.
Средняя выходная мощность такой системы должна составить 1 гигаватт («на грунте», с учётом всех потерь при передаче из космоса), пиковая — 1,6 гигаватта. Причём работать космическая электростанция будет круглосуточно и без перерывов на плохую погоду.
Для построения космической солнечной электростанции нужно решить ряд непростых вопросов. Одними из главных тут являются сборка сооружения на орбите и стоимость системы, в которой львиную долю составит даже не цена солнечных преобразователей, а затраты на запуски ракет.
Но и выгоды такая станция сулит большие: при росте масштаба реализации «космическое электричество» обещает стать недорогой и «зелёной» альтернативой нефти. Не зря над проектом подобного комплекса сейчас работают несколько групп и в США.
Ранние оценки американских специалистов гласили, что 1-гигаваттная станция такого типа может обойтись в триллион долларов, но японцы посчитали: проект может стоить «всего» $22 миллиарда, если расценки на подъём сравнительно тяжёлых аппаратов на орбиту снизятся до $110 миллионов за пуск. А это не столь уж фантастическая величина, учитывая тенденции последнего времени.
К примеру, можно вспомнить небольшую частную американскую компанию SpaceX, рекламирующую свои пусковые услуги как самые доступные в мире. Она просит за один рейс своей тяжёлой ракеты Falcon 9 (способной выводить весьма приличные грузы на геопереходную орбиту) $133,3 миллиона.
Следующие четыре года шестнадцать компаний потратят на детальную проработку проекта. Примерно в 2015 году японцы намерены запустить на низкую орбиту демонстрационный спутник, который будет не только вырабатывать электричество своими солнечными панелями, но и сбрасывать его на Землю по «силовому лучу» (какого бы типа он ни был).
Мощность такого прототипа летающей солнечной станции составит 100 киловатт. А полноразмерную промышленную установку на геостационаре Страна восходящего солнца намерена развернуть в 2030-м.
Заметим, первой в данном начинании может стать Калифорния. Одна местная компания пообещала запустить в космос коммерческую солнечную электростанцию на 200 мегаватт уже в 2016-м.
Источник: energyland.info
|
|
NASA подтвердило возможность создания ядерного реактора на Луне
Инженеры Американского космического агентства (NASA) заключили, что небольшой ядерный реактор является возможным источником энергии для обитателей лунной базы. Сотрудники энергетического департамента агентства заявили о возможности создания такого устройства к 2020 году.
Возможность использования энергии ядерного распада для снабжения электричеством космических аппаратов обсуждается в NASA с конца 50-х годов прошлого века. Однако серьезная разработка этого проекта была приостановлена из-за опасений, что корабли и ракеты-носители с радиоактивной «начинкой» небезопасны для экологии.
|
Интерес к космическим ядерным реакторам вновь возник в связи с перспективой запуска пилотируемых миссий на Луну и Марс и создания на них обитаемых баз. Инженеры NASA тестировали свойства реактора, совмещенного с двигателем Стирлинга — тепловой машиной, работающей от любого источника тепла. Тепло от реактора к двигателю Стирлинга передается через «прослойку» металлов (смесь натрия и калия).
Проведенные испытания (в которых, правда, вместо ядерного реактора использовался другой источник тепла) показали, что устройство отличается высокой эффективностью и надежностью. Помимо самого реактора инженеры проверили, как функционирует охлаждающий блок к нему. Эти тесты также были признаны «очень успешными». Доводить до ума реактор и охлаждающий блок в NASA начали в 2006 году в рамках проекта Fission Surface Power.
Ядерный распад является наиболее предпочтительным энергоресурсом в космосе из-за трудностей, связанных с применением других источников энергии. Использование ветряных генераторов невозможно на космических телах, лишенных атмосферы (например, Луна). Солнечные батареи требуют устройств для хранения запасенной энергии, чтобы поддерживать функционирование базы или марсохода ночью. Лишняя масса крайне нежелательная для любых космических объектов.
Строительство обитаемой лунной базы входило в задачи новой программы США по освоению космоса «Созвездие» (Constellation). В последнее время в связи с мировым финансовым кризисом NASA вынуждено сокращать бюджеты своих миссий. Так, в апреле 2009 года Крис Сколезе (Chris Scolese), исполнявший в то время обязанности руководителя агентства, заявил, что NASA, вероятно, откажется от постоянного блок-поста на Луне.
Источник: lenta.ru
|
|
Природное электричество планеты и его использование в бестопливной космонавтике
Мои исследования и исследования некоторых других российских ученых помогли раскрыть тайны природного электричества и тайны природных явлений. Теперь стало ясно, что в околопланетном космосе и на самой планете миллионы лет уже четко работают сверхмощные природные электрические генераторы и двигатели. Природное электричество поступает к планете исходно от Солнца через геомагнитные полярные каспы (зоны схождения магнитных силовых линий над магнитными полюсами планеты, примерно с высот 30-40 км над планетой), путем захвата природной плазмы геомагнитными силовыми линиями и далее накапливается в ионосферы планеты и ее радиационных поясах.
|
Благодаря наличию потока солнечного ветра, взаимодействующего с магнитосферой планеты, вокруг нее непрерывно работает околопланетный магнитогазодинамический генератор. Причем, это генератор с огромной, трудно постижимой для понимания по человеческим меркам мощности. Этот генератор порождает мощные электрические токи во всех токопроводящих сферах вокруг Земли и внутри нее. Эти токи взаимодействуют с геомагнитным полем и порождают электромеханические усилия вращения самой планеты, и ее подвижных сред. Например, океанические течения, движения расплавленной магмы внутри Земли и прочее.
Поэтому наша планета - это не просто огромный электрически заряженный космический шар и огромный магнит, но и супермощный экологически совершенный природный электромеханический преобразователь (мотор-генератор) солнечной энергии. Все процессы, происходящие на планете и вокруг нее - от полярных сияний, до ее вращения, времен года и непрерывного кругооборота всех природных явлений, - это по сути непрерывные и циклические процессы преобразования солнечной энергии в электромеханические и тепловые виды энергии природных явлений. Впервые я написал об этом механизме нашей планеты еще в 1984 г. [1]. Физические основы бестопливной космонавтики изложены впервые мною в [2].
Физические основы, методология и предпосылки создания бестопливной космической энергетики и космонавтики
Так давайте учиться у Природы планеты грамотно получать и преобразовывать электроэнергию. Я предлагаю новую чистую безотходную энергетику. Иначе говоря, предлагаю решать энергетическую и экологическую проблему цивилизации путем разумного технического использования мизерной части энергии природного электричества и геомагнетизма, т.е. научиться подключать наши нагрузки к этим природным генераторам. О том, как это лучше и проще сделать я и рассуждаю в этой статье. Техническая реализация нетрадиционных преобразователей такой дармовой электроэнергии околоземного космоса на борту орбитальных аппаратов вполне возможна уже в ближайшие годы, и это не утопия, а вполне близкая реальность. Такие новая космонавтика и новая космическая энергетика впервые были предложены в России. Сущность данного нового научно-технического направления состоит в разработке и исследовании новых способов и устройств использовании возобновляемой энергии околоземного космоса (природной плазмы ионосферы, электрического и магнитного полей планеты) для получения тяги и электроэнергии на борту бестопливных орбитальных космических аппаратов. Основные научно-технические изыскания по этому направлению космонавтики уже сделаны мною. В этой статье на данную тему показана техническая возможность и перспективность использования возобновляемой энергии околоземного пространства для создания в 21 веке перспективной бестопливной орбитальной космонавтики.
Параметры энергии и методология использования природного электричества
Конкретные данные о природном электричестве (концентрации и интенсивности природной плазмы, величинах напряженностей электрического и магнитного полей в околоземной магнитосфере планеты, в зависимости ее параметров от времени года, суток и т.д.) можно найти в отечественных и зарубежных справочниках [3], [4] и др. Не хватало только панорамного видения сущности этого механизма. Теперь это новое понимание процессов функционирования природного электричества возникло. Поэтому пора "запрягать" природную плазму в работу. До сих пор природную околоземную плазму пока не использовали в орбитальной бестопливной космонавтике, а, напротив, предохраняли космические аппараты от нее. Парадокс развития орбитальной космонавтики состоит в том, что до сих пор природная околоземная плазма являлась помехой для орбитальной космонавтики. Наиболее эффективно, на наш взгляд, - именно полезное использование природной околоземной плазмы в качестве рабочего тела в электрореактивных космических движителях. Это особенно перспективно достигается в околоземной ионосфере и в радиационных поясах планеты, например, ближайшие максимумы концентраций электронов на высотах 300-1000 км. Перспективность использования природной околопланетной плазмы в космических двигателях малой тяги и в иных космических электротехнологиях экологически безвредно по следующим причинам:
запасы энергии природной плазмы и ее концентрация в околоземном пространстве настолько велики, что использование даже одной тысячной доли процента этой мощности покроет энергетические потребности человечества на ближайшее тысячелетие (10 Дж/год), в то время как плазменная оболочка планеты устойчива даже при ее 10% возмущениях, происходящих во время магнитных "бурь", обусловленных солнечными вспышками (см. [3] с.367);
природная околоземная плазма непрерывно пополняется заряженными космическими частицами, преимущественно солнечным ветром, захваченными магнитной "ловушкой" Земли, в основном через приполярные каспы - щели, и затем разгоняется до скоростей м/с природными космическими ускорителями.
Рассмотрим более подробно основные устройства бестопливной энергетики будущего, которые могут применяться для полезного использования возобновляемой энергии околоземного космоса.
Тросовая орбитальная электромеханическая система
По сути - это помещенная в ионосферу планеты и ориентированно по радиусу к Земле, развернутая на орбите простая система, содержащая концентраторы природной плазмы в виде ажурных надувных электропроводящих сфер (6), (7) и электропроводящий трос (4) с электрической нагрузкой (5), (генераторный режим) или с внешним бортовым источником электроэнергии (солнечной батареей (1)).
Сущность и принцип работы такой тросовой энергетической системы основаны на эффектах генерации природного электричества и на законах электротехники - по сути, на законе Ома. Известно, что в околоземном пространстве от солнечной плазмы непрерывно работает ионосферный плазменный магнитогазодинамический генератор, работа которого основана на эффекте Холла силового взаимодействия солнечной плазмы, обтекающей магнитосферу планеты с геомагнитным полем. В результате происходит разделение разноименно заряженных частиц во всех околопланетных сферах, и возникают огромные природные конденсаторы. Именно этот механизм создает естественную огромную разность электрических потенциалов над планетой. Это напряжение огромно и составляет до 300-500 киловольт на высотах 50-100 км относительно поверхности планеты. Электрическая напряженность природного электричества с высотой падает, но еще весьма заметна в ионосфере планеты. Поэтому электропроводящий внутри и электроизолированный снаружи трос, растянутый за орбитальным спутником ориентируют (центрируют) преимущественно по радиусу к планете и выделяют на его концах как раз эту уже существующую разность электрических потенциалов в околоземной ионосферной, например, для получения электроэнергии.
а) генераторный режим работы тросовой системы
Получение электроэнергии в тросе становится возможным при подключении электрической нагрузки (5) в разрыв этого электроизолированного снаружи троса (4). Электрический ток частиц природной плазмы протекает как в туннеле по этой цепи через концентрирующие плазму зарядосборные электроды (6), (7) и через сам трос (4) с нагрузкой (5). Благодаря выделению на нем разности электрических потенциалов этого природного околоземного электричества, высокой электропроводности троса и благодаря достаточно высокой электропроводности ионосферной плазмы. По сути, тросовая система (рис.1) является концентратором и "туннелем" для прохождения через него природной плазмы. Главное для получения полезного максимального эффекта - это согласование сопротивления плазмы и сопротивления троса.
б) двигательный режим работы тросовой системы
В случае подключения вместо нагрузки источника электроэнергии от солнечной батареи появляется возможность изменения направления и силы тока через трос (4). Как известно из электромеханики, сила Ампера возникает при протекании тока через проводник, помещенный в постоянное магнитном поле. При этом проводник с электрическим током начинает двигаться в магнитном поле так, чтобы занять положение параллельно силовым линиям магнитного поля. Поэтому этот трос можно использовать как источник электромеханической силы. Это бывает нужным в космонавтике при необходимости маневра и поддержания орбиты спутника. Весьма перспективно использовать такой трос, прикрепленный жестко к космическому аппарату, для получения электромеханической тяги орбитального спутника. Для этого необходим бортовой бестопливный источник электроэнергии, который присоединяют в разрыв этого троса. Например, если присоединить в разрыв троса потенциалы от солнечной батареи, то получают электромеханическую силу тяги на борту орбитального спутника от этого троса (Сила Ампера). Это вполне возможно в ионосфере планеты благодаря существованию в ней огромных запасов природной ионосферной плазмы и наличию в ней разности электрических потенциалов.
Расчеты и эксперименты тросовой системы
Проведенные расчеты тросовой орбитальной энергетической системы при длинах троса от десятков метров до длины порядка 2-4 км, а также опыты на действующих макетах подтверждают возможность получения электромеханической силы (тяги) данного троса от взаимодействия данного проводника с током с геомагнитным полем Земли, достаточным для компенсации силы трения и даже существенного ускорения орбитального бестопливного аппарата на высотах от 200 до 3000 км В генераторном режиме работы такая тросовая система может обеспечить получение электроэнергии на борту ИЗС (искусственного спутника Земли) до 30-50 квт при длине троса несколько километров в теневой части на высотах орбиты примерно 300-500 км. Особое преимущество тросовой системы - это относительная простота и дешевизна такого нетрадиционного орбитального тросового двигатель-генератора. В исходном состоянии трос и надувные электроды компактно свернуты и размещены в капсуле орбитального космического спутника. Развертывание троса на орбите весьма просто и удобно в случае наличия на борту спутника устройства его развертывания (типа безынерционной катушки спиннинга), надувных конструкций зарядосборных электродов и с применением для троса материалов с механической памятью.
Полый магнитогазодинамический преобразователь энергии природной околопланетной плазмы
Настоящие способ и устройство бестопливной космонавтики основаны на использовании природной околоземной плазмы в качестве рабочего тела в полых магнитогазодинамических преобразователях энергии. Давно известны способы использования искусственной плазмы в орбитальной космонавтике для получения малой реактивной тяги путем создания на борту и ускорения искусственной плазмы, приготовляемой из первичного сырья, топлива (аналоги, например, в [5]), однако на борту спутника запас топлива ограничен. В нашем случае использования ионосферной плазмы такой двигатель-генератор будет работать сколь угодно долго. Магнитогазодинамический преобразователь энергии возобновляемой природной плазмы ионосферы планеты упрощенно показан на рис.2.
Основные элементы этой нетрадиционной энергетической системы - солнечная батарея (1), полая камера, на ее входе размещены постоянные магниты (5) по одной плоскости камеры и зарядосборные пластины (6), (7) в квадратуре с силовыми магнитными линиями, а также клеммы для присоединения электрической нагрузки (4); концентратор природной плазмы - соленоид (3); система ориентации полой камеры вдоль геомагнитных линий (не показана), и сама околопланетная плазма (8). Устройство работает следующим образом:
а) генераторный режим
Вначале полую камеру этого нетрадиционного преобразователя природной энергии плазмы размещают в ионосфере планеты и ориентируют вдоль силовых геомагнитных линий. Постоянные магниты (5), размещенные на входе полой камеры, сортируют частички плазмы по знаку, а именно, отклоняют разноименные электрические заряды из потока природной плазмы (8), которые осаждаются затем на противоположные зарядосборные пластины (6), (7). К ним через клеммы (4) и присоединяют электрическую нагрузку (не показана).
В результате, на пластинах (6), (7) накапливается природное электричество и между ними образуется разность потенциалов. При подключении этих пластин (6), (7) через клеммы (4) к электрической нагрузке возникает непрерывный ток рекомбинации данных зарядов. В результате получаем эффективный новый бестопливный бортовой тип источника энергии. Концентрацию природной плазмы (8) в полой камере обеспечивают бортовым электромагнитом (3). Данный источник (рис.2) особенно полезен для получения электроэнергии в теневой части орбит спутников Земли.
б) двигательный режим работы устройства
В этом варианте использования устройства к клеммам (4) присоединяют электрические потенциалы от независимого источника, например, от солнечной батареи (1). При прохождении электрического тока между пластинами (6), (7) и силовыми магнитными линиями от магнитов (5) через поток природной плазмы, внутри полой камеры возникает сила Лоренца-Ампера. Сила Лоренца-Ампера обеспечивает ускорение плазмы в полой камере с той силой и в том направлении, которые зависят от направления и величины тока. В результате и полая камера получает требуемый импульс тяги. Величина этого импульса тяги переменна в зависимости от величины тока, магнитного поля и параметров природной плазмы.
Практическое применение
Применение данной системы в космонавтике позволит в перспективе решить и энергетическую и экологическую проблемы и тем более ускорит создание мобильного бестопливного орбитального космического транспорта.
Данная полая МГД-система исследовалась на действующих физических и математических моделях ее реальной работы на разных высотах в ионосфере околоземного космоса. Расчеты концентрации и интенсивности ионосферной природной плазмы и параметров такого компактного бортового МГД-преобразователя и лабораторные эксперименты на действующих макетах показывают работоспособность такого устройства и возможность компенсации силы трения орбитального аппарата за счет использования ионосферной природной плазмы в широком диапазоне высот орбитальных космических аппаратов (от 200 км над планетой до его геостационарной орбиты - 36000 км над планетой). В генераторном режиме возможно получение на борту бестопливного спутника электроэнергии от нескольких ватт до многих десятков и сотен киловатт, в зависимости от конструктивных параметров устройства и наличия концентраторов природной плазмы.
Бортовой соленоид в магнитосфере Земли
Предложен оригинальный способ и устройство бестопливного поддержания и изменения траектории движения искусственного спутника Земли (ИСЗ) на околополярных околоземных орбитах путем силового взаимодействия бортового электромагнита с геомагнитным полем (рис. 3). В состав устройства входит непосредственно бортовой электромагнит, бестопливный источник электроэнергии, например, бортовая солнечная батарея и переключатель-регулятор электрического тока через обмотки этого электромагнита. Для эффективного управления траекторией движения такого спутника необходима также система ориентации спутника в геомагнитном поле Земли. Суть эффективного силового взаимодействия бортового орбитального электромагнита и магнитных полюсов планеты кроется в неоднородности геомагнитного поля по широте и долготе вокруг планеты. Сущность этого изобретения состоит в создании циклического силового электромагнитного взаимодействия данного ИСЗ с геомагнитным полем Земли путем циклического переключении полярности и изменения величины электрического тока в обмотках бортового электромагнита, запитанного от солнечной бортовой фотобатареи.
Достоинство данного устройства состоит в создании по сути нового космического бестопливного околополярного движителя, в котором для создания импульса тяги орбитального спутника используется возобновляемая энергия Солнца и электромагнитная энергия геомагнитного поля планеты, достаточного для компенсации трения ИСЗ на данной орбите и длительного удержания такого ИСЗ на полярной и близкой к ней орбитах. Устройство может быть также использовано и для бестопливного маневра ИСЗ на полярных орбитах (как вокруг нашей планеты, так и вблизи планет, обладающих собственным магнитным полем), также как разгонный движитель-аппарат для межпланетных аппаратов.
Благодаря использованию возобновляемой электромагнитной энергии геомагнитного поля и солнечной энергии удается поддерживать и даже регулировать в относительно широких пределах траекторию движения такого нетрадиционного орбитального ИСЗ вообще без затрат расходного топлива и без затрат электроэнергии бортовых АБ.
Такой орбитальный бестопливный движитель позволяет реально осуществить циклическое силовое электромагнитное взаимодействие данного бортового магнита или электромагнита (соленоида) с геомагнитным полем планеты. В результате становится возможным создание долгоживущего "вечного полярного спутника Земли" с изменяемой по высоте полярной орбитой. Соленоид может быть запитан электроэнергией разными нетрадиционными способами, например, дармовым электричеством, полученным от солнечной батареи. Благодаря цикличному изменению направления тока в соленоиде можно обеспечить ускорение орбитального спутника на его первоначальной орбите, т.е. осуществить бестопливный маневр в космосе. Это возможно, поскольку бортовой соленоид создает однонаправленное электромагнитное усилие данного соленоида поочередно к каждому из магнитных полюсов планеты. В Зоне полюсов планеты питание электромагнита отключают, а после прохождения их вновь включают через определенный интервал времени или по угловому их перемещению на орбите.
Такое устройство позволит обеспечить сколь угодно долгое сохранение определенной полярной орбиты бестопливного орбитального аппарата вокруг любой планеты, обладающей магнитосферой и магнитным полем. Кроме того, возможным становится увеличение орбитальной скорости и изменение полярной орбиты вплоть до полного отрыва его от притяжения Земли и выхода в открытый космос, например для полета к Марсу. В принципе, такой соленоидальный движитель может быть использован при пилотируемом спуске космического аппарата в зоне магнитных полюсов и магнитных аномалий планеты. В этом случае он будет работать в режиме электромагнитного торможения космического аппарата.
Расчеты, проведенные на математических моделях таких устройств, и лабораторные эксперименты на действующих макетах подтверждают реализуемость и перспективность данного технического предложения практически во всех участках околоземной геомагнитосферы.
Замкнутый кольцевой контур с током в магнитосфере планеты
Он показан упрощенно на рис. 4. Устройство достаточно просто и состоит из замкнутого электропроводного контура с электрической нагрузкой. На рис. 4 показаны также некоторые элементы его конструкции, в частности, ребра жесткости и преобразователь электроэнергии.
Принцип его работы основан на использовании возобновляемой энергии геомагнитного поля в пределах магнитосферы планеты. Контур размещается подвижно в пределах магнитосферы планеты и укрепляется на борту бестопливного орбитального движителя. Такое простейшее устройство работает как обратимый электромеханический преобразователь магнитной энергии планеты в электроэнергию или даже тормозную тягу (в зависимости от цели и его назначения). Электрический ток в данном контуре образуется вследствие возникновения электромагнитной индукции, наведенной в нем при пересечении им геомагнитных силовых линий. Этот контур позволяет реализовать и двигательный режим, например, как для бестопливной корректировки положения космического аппарата, так и для получения электроэнергии от взаимодействия данного токового контура с магнитным полем планеты. Созданный электрический ток может быть особенно длительным и большим по величине в случае реализации контура как сверхпроводящего.
Такой токовый контур особенно полезно может быть использован для получения электроэнергии в теневой части орбиты бестопливных космических искусственных спутников Земли.
Иные перспективные комбинации устройств нетрадиционной бестопливной энергетики
Отметим, что в случае разумного сочетания вышеперечисленных устройств, некоторые из которых будут работать в двигательном, а иные и в генераторном режимах, можно сделать космонавтику маневренной вообще без наличия топлива на борту. В перспективе это позволит вообще отказаться от дорогих, громоздких и ненадежных солнечных батарей. В реальных орбитальных бестопливных движителях целесообразно использовать комбинации перечисленных выше способов и устройств. Например, для получения импульса тяги и поддержания заданной полярной орбиты искусственного спутника целесообразно применять бортовой соленоид, а для получения электроэнергии на борту целесообразно использовать МГД-преобразователь энергии околоземной природной плазмы.
Вполне целесообразно также и иное сочетание таких космических устройств, например, для ускоренного и/или широкомасштабного маневра с орбиты на орбиту и для быстрой ориентации бестопливной орбитальной космической станции. Например, полезны сочетания и совместная работа на космическом аппарате бортового соленоида, троса и полого МГД-двигателя на природной плазме. Тогда бортовой соленоид и полый МГД-преобразователь природной плазмы при маневре будут работать в режиме двигателей с электропитанием от тросовой энергетической установки. Также можно совместно использовать трос и соленоид как движители, а МГД - преобразователь как генератор электроэнергии. В этом случае живучесть и маневренность спутника возрастает.
Источник http://kuasar.narod.ru/
|
|
Солнечная энергия на Луне
Самым простым решением энергетической проблемы на Луне, на сегодняшний день, является строительство солнечных электростанций. Идея проста до предела - на поверхности планеты монтируются панели солнечных элементов (наподобие тех, что применяются сейчас на космических аппаратах). Связано это с полным отсутствием на Луне атмосферы, а, следовательно, и факторов препятствующих поступлению солнечного света на поверхность (облака, запыленность атмосферы). Так же стоит заметить, что на Луне из-за отсутствия атмосферы, на поверхность поступает гораздо более широкий диапазон излучений, чем на Земле. Отсутствуют факторы, приводящие к загрязнению поверхности солнечных элементов и их повреждению (нет ветра и пыли). Единственная угроза - это микрометеориты, которые могут повредить поглощающие элементы. Для уменьшения ущерба, наносимого микрометеоритами, нужно сегментировать батареи. В этом случае, при повреждении одного сегмента, мощность панели в целом упадет незначительно. Существует, конечно, вероятность падения на Луну и довольно крупных метеоритов, которые могут вывести из строя довольно большую площадь поглотителей (за счет ударной волны, осколков, пыли и т.п.), но эта вероятность очень низка.
|
Материалы для производства солнечных батарей можно добывать непосредственно на луне, но это уже другая проблема.
Как было сказано ранее, панели солнечных элементов необходимо сделать сегментированными. Например, при размере панели 10х10 метров, размер сегмента может составлять 10х10 см. Эти сегменты складываются в квадратную матрицу 100х100, при этом положительные электроды всех сегментов объединяются по столбцам матрицы, а отрицательные - по строкам. Далее все столбцы и строки объединяются, и в результате получаем два выхода (положительный и отрицательный) для всей панели. При такой конфигурации несложно проводить диагностику исправности каждого отдельного сегмента путем сканирования (определения вырабатываемой мощности) на пересечении столбец-строка. Предположим, один раз в течение лунного дня (в полдень, когда нет затенения элементов) производится сканирование каждого сегмента, если его энергетическая отдача упала или вообще равна нулю, то это говорит о его неисправности и необходимости замены.
Замену неисправных сегментов можно производить автоматически с помощью простейшего координатного позиционного механизма перемещающегося по двум осям (как в планшетных плоттерах) и захватного устройства. Позиционируем захват над неисправным сегментом, извлекаем его из ячейки, переносим в "контейнер для мусора", а потом из контейнера с запасными сегментами извлекаем новый элемент и устанавливаем его на место поврежденного с помощью того же самого захвата. При следующем тестировании этот элемент должен быть исправен, если же он снова не работает, это значит, что неисправность не в светопоглощающем сегменте, а, например, в разъеме-держателе или контактных проводах. Те неисправности, которые не могут быть обнаружены и устранены автоматически, устраняются ремонтной бригадой, при этом необходимость в таком ремонте будет возникать крайне редко. Даже если не удастся устранить неисправность одного сегмента, это практически ни как не сказывается на энергоотдаче панели в целом (на одной панели 10000 сегментов). Таким образом, можно обеспечить довольно продолжительную автономность работы отдельных панелей.
В случае применения солнечных элементов есть два варианта их установки:
строго фиксированное расположение с полным покрытием поверхности ,
крепление отдельных панелей на управляемых стойках .
Рассмотрим каждый метод более подробно, а так же укажем их преимущества и недостатки.
1. Способ фиксированного крепления удобен тем, что для его реализации кроме крепежных ферм (белые) и самих панелей солнечных элементов (красные) практически ни чего не требуется. Угол наклона фиксированного расположения выбирается в зависимости от широты местности и остается постоянным (на рисунке изображен случай полностью горизонтального расположения, такое расположение оптимально в экваториальных зонах).
Основные преимущества: простота конструкции.
Недостатки: непостоянный выход энергии - максимум только в полдень (синусоидальная зависимость), как следствие - нерациональное использование солнечных элементов.
2. При креплении каждой панели отдельно на управляемых стойках (минимум две степени подвижности) можно достигнуть более рационального использования солнечных батарей. В этом случае применяются системы самонаведения либо часовые механизмы, которые располагают поглощающую панель строго перпендикулярно световому потоку. При этом, выход энергии остается почти неизменным в течении всего дня. Правда стоит заметить, что при довольно близком расположении таких стоек друг к другу, в начале и конце дня панели будут создавать некоторое затенение, что приведет к снижению вырабатываемой мощности. Но этого можно избежать, если расположить панели довольно далеко друг от друга. Ориентировочное расстояние удаления стоек 30 метров при размерах каждой панели 10х10 м. Стойки с панелями необходимо разместить в узлах квадратной сетки так, чтобы прямые, которые ее составляют, не были ориентированы на точку захода или восхода солнца, это позволит уменьшить затенение в начале и в конце дня. Ориентировочный угол поворота сетки относительно меридиана или экватора - 30-60 градусов. Такое расположение позволит получать практически полную мощность (падение не более 10%) в течение 90% лунного дня.
Однако есть еще один, немаловажный момент - строительство солнечных электростанций на Луне, впрочем, как и на Земле имеет смысл только в средних и низких широтах. Это связано не с климатическими условиями, а с тем, что в полярных областях солнце всегда находится низко над горизонтом и сильного взаимозатенения панелей солнечных элементов можно избежать только при очень больших размерах сетки расположения.
Теоретически энергоснабжение всех лунных баз и поселений может быть полностью централизовано, так как поверхность Луны имеет небольшую площадь (примерно равна площади Южной Америки). Для этого достаточно расположить через равные промежутки несколько "полей" по добыче энергии. Например, можно поставить 5 таких энергостанций на экваторе. В этом случае, в любой момент времени две или три из них будут находиться на дневной стороне и работать на полную мощность, а остальные - на ночной стороне. Станции расположенные на ночной стороне, тоже могут добывать некоторое количество энергии (например, поглощая свет, отраженный от Земли).
Передачу энергии от энергостанций потребителю можно осуществлять, как проводными линиями, проложенными по поверхности (что вполне реально даже на сегодняшний день), так и с помощью спутников ретрансляторов с использованием микроволнового или лазерного излучения (а над этим пока еще надо подумать).
Стоит заметить, что после наступления ночи, поверхность Луны быстро остывает до очень низких температур, а это дает возможность использования сверхпроводниковых ЛЭП на ночной стороне. Сверхпроводники для передачи энергии можно использовать и на дневной стороне, но для этого необходимо обеспечить их принудительное охлаждение. Однако их применение на дневной стороне будет целесообразно только при очень больших передаваемых мощностях (когда потери энергии в обычных проводниках будут превышать затраты на охлаждение сверхпроводников).
В принципе, на первом этапе освоения Луны, когда не будет необходимости в большом количестве энергии и Лунные поселения будут расположены компактными группами, можно обойтись локальными солнечными энергостанциями, находящимися поблизости от базы. Это устранит проблему передачи энергии на большие расстояния, но появиться новая проблема - аккумуляция энергии для ее использования ночью. Оптимальным была бы постройка аккумулирующей станции, при этом совершенно неважно на каком принципе она будет действовать.
В будущем, когда будут найдены возможности осуществления управляемой термоядерной реакции или строительства безопасных атомных станций и добычи для них "горючего" прямо на Луне, можно будет отказаться от использования солнечных энергостанций. Но не стоит забывать, что возможно, когда-нибудь, Луна будет так же густо населена, как и Земля сегодня, поэтому уже сейчас не стоит закрывать глаза на проблемы лунной экологии. Не нужно превращать наш спутник в кладбище радиоактивных отходов или в ядерный полигон. Солнечная энергия в этом плане всегда остается самым "чистым решением". Так есть и было на Земле, так будет и на Луне.
Источник: http://kuasar.narod.ru/
|
|
КЭС С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИКОВ
Создание космических солнечных электростанций настолько непростое дело, что вновь и вновь возникает вопрос, почему бы подобные солнечные станции не строить на Земле. Но цифры неумолимы
интенсивность потока солнечной энергии в космосе равна 1,4кВт/м2; в ясную погоду максимум солнечного потока на Земле в 1,2 раза меньше; средняя интенсивность света в 3 раза меньше максимальной за счет смены дня и ночи; дополнительно интенсивность уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей в зависимости от широты местности и значительно снижается в облачную погоду
Таким образом, в южных широтах СССР, в местности с почти круглогодичной безоблачностью, средняя интенсивность светового потока не превышает 20% интенсивности в космосе
|
Оценим теперь потери при работе КЭС. Они будут определяться, во-первых, КПД преобразования энергии постоянного тока в СВЧ излучение, равным 0,8—0,9, во-вторых, КПД передачи СВЧ излучения от антенны в космосе к антенне на Земле, зависящим от экономической целесообразности использовать для преобразования в промышленный ток окраинные области главного лепестка СВЧ излучения, (примерное значение 0,9) и, наконец, КПД преобразования СВЧ излучения в промышленный ток, значение которого в перспективных преобразователях достигнет 0,85.
Из этих числовых данных следует, что КЭС может дать выигрыш по энергетике в 3 раза по сравнению с наземной солнечной электростанцией при равных площадях солнечных батарей. Дополнительным и очень существенным преимуществом КЭС является возможность направить энерголуч в любой пункт Земли, в то время как наземная солнечная электростанция привязана к местам с малой средней облачностью
В наш век повсеместного распространения бытовой радиоаппаратуры функциональное назначение таких компонентов КЭС, как источник постоянного тока, генератор СВЧ колебаний, антенна, понятно в общих чертах широкому кругу читателей. Поэтому остановимся на некоторых характерных особенностях КЭС, обусловленных ее наиболее новой относительно других радиоустройств целевой функцией — передачей с высоким КПД энергии на большое расстояние без проводов.
Задача, которая возлагается на антенну КЭС, — сосредоточить основную часть энергии излучения в узком телесном угле с тем, чтобы основная часть энергии излучения попала на Землю в заданную площадку
Теория и практика показывают, что для создания узкого луча необходима прежде всего антенна больших размеров. Расчеты по КЭС дают размер антенны, превышающий не менее чем в 100 раз размер крупнейшей антенны, сооруженной до сих пор на Земле.
Столь большую антенну можно реализовать как совокупность большого числа антенн меньшего размера. Поскольку предполагается создание КЭС, соизмеримых по мощности с крупнейшими современными гидростанциями, то конструктивно она должна состоять из сотен тысяч однотипных модулей, каждый из которых содержит свой генератор и антенну. Однако антенной системы большого размера еще недостаточно для формирования узкого энерголуча.
Если представить, что антенны модулей станции расположены в плоскости, перпендикулярной направлению в пункт приема энергии на Земле, то для формирования узкого энерголуча необходимо, чтобы генераторы всех модулей станции работали синхронно, то есть моменты прохождения через нули и максимумы синусоидального напряжения, вырабатываемого генераторами на разных модулях, совпадали.
В иной формулировке генераторы всех блоков должны работать синфазно. Но расположить антенны модулей в одной плоскости не удастся — этому препятствуют неизбежные погрешности монтажа и неизбежные колебания рамы, на которой крепятся модули станции. Поэтому генераторы станции должны работать не синфазно, но с таким сдвигом фаз, который бы компенсировал отклонение расположения блоков станции от плоскости, перпендикулярной к главному направлению излучения. Для выполнения этой задачи в блоках станции предусматривается система автоподстройки фазы. Кроме того, на Земле по краям антенного поля, собирающего энергию, размещаются вспомогательные антенны, излучающие сигнал в сторону КЭС. Измерение фазы этого сигнала на каждом из модулей КЭС позволило бы системе автоподстройки обеспечить нужный сдвиг фаз в СВЧ генераторах блоков КЭС.
Однако измерение фазы синусоидального напряжения возможно лишь при наличии некоторого опорного, эталонного синусоидального напряжения, имеющего условно нулевую фазу. Задача формирования на всех блоках станции синфазного опорного напряжения является весьма сложной в связи с тем, что погрешности монтажа и колебания рамы заставляют считать положение блоков в пространстве в определенной мере случайным. Решение этой задачи пока не найдено. До сих пор в радиотехнике такой задачи не возникало, а ее появление обусловлено огромными размерами антенной системы КЭС. В то же время нет сомнения, что эта увлекательная для радиоинженера задача будет решена
Трудные вопросы возникают и в отношении наземной части КЭС. Проблемной задачей здесь является способ преобразования СВЧ излучения в промышленный ток. Тривиальное с научной стороны решение — это сочетание большого числа выпрямителей на основе ректенны — антенны в виде линейного вибратора, диода и фильтрующей цепи. Большое число выпрямителей и тип антенны в ректенне диктуются маломощностью полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ. Для получения с ректенны мощности в 10 млн. кВт необходимо, чтобы она содержала 2•1010 выпрямителей. Хотя это число и выглядит весьма внушительно, оно не безнадежно велико для практической реализации ректенны. Действительно, в заводских условиях можно было бы изготавливать однотипные блоки размером 1X1 м, из которых затем собирается ректенна. Число таких однотипных блоков при длине волны, равной 10 см, окажется равным 50 млн. — для массового производства это не очень большая величина (например, разнотипной обуви выпускается в СССР 750 млн. пар в год). Однако коммутация столь большого числа блоков с целью получения высоковольтного напряжения, приемлемого для линий электропередачи, представляет сложную инженерную проблему. Итак, принципиальная схема КЭС ясна, и с точки зрения технических возможностей можно было бы приступить к ее конструктивной разработке уже сегодня. Вопрос — нужно ли это делать? — упирается в экономические показатели КЭС
Источник: http://www.nek-npo.ru/
|
|
ОСНОВНЫЕ ТРУДНОСТИ НА ПУТИ СОЗДАНИЯ КЭС
Хотя сами КЭС и будут давать чистую энергию, на пути развертывания в космосе их большого числа, достаточного для создания изобилия энергии на Земле, стоят не только ресурсные, но и экологические ограничения, связанные с особенностью эксплуатации ракетно-космических систем.
По расчетам специалистов, создание системы КЭС позволит транслировать на Землю электроэнергию полезной мощностью 1,5 млрд. кВт, что соответствует прогнозной оценке всего мирового производства электроэнергии в 2000 году.
При единичной мощности серийной КЭС в 10 млн. кВт число эксплуатируемых станций должно составить 150 единиц.
|
Общая масса станций, составленная массами солнечных батарей, алюминиевых конструкций, распределительных сетей, электронных приборов и других элементов, будет фантастической — 5—10 млн. т. Для выведения этого груза и средств орбитальной транспортировки на низкие околоземные орбиты с помощью сверхмощных РН потребуется ракетного топлива суммарной массой порядка 200—400 млн. т. Массы необходимых полупроводниковых материалов и компонентов ракетного топлива превышают прогнозные оценки их мирового производства на несколько порядков.
Следует учитывать также большой объем первоначальных энергозатрат, связанных с производством полупроводниковых материалов для солнечных батарей, алюминия для силовой конструкции, электронных приборов, жидкого водорода и т. д. Для возмещения электроэнергии, затраченной на производство и выведение одной КЭС, потребуется ее работа в течение двух лет.
Выведение элементов КЭС с Земли на низкие околоземные орбиты с помощью высокоэкономичных, сверхмощных РН будет сопровождаться засорением атмосферы горячими продуктами сгорания ракетного топлива.
Учитывая несовершенство технологических процессов производства на Земле топлива и элементов конструкции КЭС (полупроводниковых фотопреобразователей, силовых элементов, приборов), следует ожидать при этом значительных тепловых выбросов в атмосферу (до 1015 ккал при производстве и выведении только одной КЭС).
Это чревато серьезными экологическими нарушениями, изменением установившегося равновесия глобальных атмосферных процессов. Таким образом, ресурсные и экологические ограничения представляют собой весьма серьезные проблемы, стоящие на пути перевода мировой энергетики в новое русло.
Источник: http://www.nek-npo.ru/
|
|
Экономическая целесообразность КЭС
Капитальные вложения при строительстве тепловых и атомных электростанций близки, а конкретные числовые данные существенно зависят от места строительства, типа реактора, мощности энергоблоков станции. Ориентировочно удельные капиталовложения могут быть определены в пределах 0,2—0,4 тыс. руб./кВт. При этом себестоимость электроэнергии равна 0,6—0,8 коп./кВт•ч. Срок службы станции без капитального ремонта оценивается в 30 лет; за этот срок на производство 1 кВт затраты составят 1,5—2,0 тыс. руб. Таким образом, сумма капитальных затрат и себестоимости за 30 лет становится равной 1,7—2,4 тыс. руб./кВт.
Если КЭС стали бы сооружать при современном уровне технологии, то капиталовложения возросли бы до суммы в 300 тыс. руб./кВт при себестоимости 250 тыс. руб. за 1 кВт в течение 30 лет.
|
Таким образом, электроэнергия гипотетической современной КЭС стоила бы в 200 раз дороже электроэнергии на ТЭС или АЭС. Однако вывод об экономической нецелесообразности КЭС был бы преждевременным. Дело в том, что прогресс науки и техники может резко изменить размеры капиталовложений. Например, Братская ГЭС по капиталовложениям на 1 кВт стоила вдвое дешевле Волжской и Куйбышевской ГЭС, а Красноярская ГЭС стоила вдвое дешевле Братской. Еще более разительный контраст в эволюции стоимости компонентов КЭС. За 20 последних лет вес солнечных батарей единичной мощности снизился в 18 раз, а стоимость — в 20 раз. Но именно стоимость солнечных батарей и их подъема на орбиту определяет львиную долю стоимости всей КЭС. Процесс удешевления не остановился — по зарубежным данным, к 1985 году стоимость 1 кВт солнечных батарей должна быть снижена в 10 раз относительно современного уровня. По прогнозам специалистов, вес тонкопленочных батарей можно в перспективе снизить в 50 раз.
Если проявить осторожность в прогнозировании успехов транспортных средств космонавтики и взять при расчете 10-кратное уменьшение стоимости вывода на орбиту, а также учесть вышеназванные перспективные данные по стоимости солнечных батарей и их весу, то стоимость солнечных батарей на орбите приблизится к стоимости других компонентов станции. Удельные капиталовложения такой перспективной КЭС составят 1,5 тыс. руб./кВт.
Себестоимость электроэнергии КЭС определяется главным образом частотой выхода солнечных батарей из строя за счет разрушения их микрометеоритами и жестким излучением Солнца. Ориентируясь на 30-летний срок работы КЭС, можно полагать, что сумма капиталовложений и себестоимости будет равна 2,4 тыс. руб./кВт, что уже сопоставимо с современными затратами на производство электроэнергии. Но в связи с переходом на разработки все менее богатых месторождений энергетического сырья, со временем перспективная КЭС станет предпочтительней в экономическом отношении, и, следовательно, поисковая работа в настоящее время над ключевыми проблемами создания КЭС является актуальной. Этими ключевыми проблемами являются: создание мощных, эффективных преобразователей электромагнитного поля в постоянный ток; улучшение электрических, конструктивных и экономических характеристик солнечных батарей.
Источник: http://www.nek-npo.ru/
|
|
Космическая энергетика – энергетика будущего
Может ли энергоснабжение, получаемое от космических источников энергии решить все энергетические проблемы человечества ? Специалисты компании Boeing и агентства NASA разрабатывают проект солнечной энергостанции космического базирования. Этот проект имеет название SBSP ( Space-Based Solar Power ) и представляет из себя по задумкам создателей сеть энергетических спутников, расположенных на геосинхронных орбитах. Эти спутники утилизируют получаемую солнечную энергию и передают ее вниз, на поверхность Земли в виде микроволнового излучения. |
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, получаемой за счет постоянного облучения установки солнечными лучами. Дополнительными преимуществами является полная независимость от погодных 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 будут 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 это вопрос не вызывает у исследователей больших волнений. На Земле были уже успешно проведены эксперименты по беспроводной передачи 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 ее построения и вывода в околоземное пространство. Но, в нынешнее время ведутся работы по разработке и внедрению ракет-носителей нового типа SpaceX''s Falcon 9. Применение таких ракет-носителей позволит существенно снизить затраты на вывод в космос компонентов системы SBSP, и сделает этот проект ближе к реальности.
Представители организаций, занятых в работах над этим проектом, полны оптимизма. Они утверждают, что в случае начала финансирования программы в 2009 году, первый результат можно будет получить уже в 2017 году. Этим результатом будет запуск одного экспериментального энергетического спутника мощностью 100 МВт. Следующим шагом будет запуск на орбиту комплекса из пяти спутников, общей мощностью более 20 ГВт. Этот этап, по планам, может быть реализован уже в 2020 - 2025 годах.
Источник: http://www.nek-npo.ru/
|
|
|
