Генерация энергии на орбите Земли

Астана қаласы Білім басқармасы  №38 мектеп ­ лицей Тема:     Генерация энергии на орбите Земли Секция: Физика Сыныбы: 10 «Ә» Орындаған:  Тлешов Алишер, Сұңғатолла Сұлтанғали Жетекшісі:   Дусчанова Алия Уринбековна 0 Астана 2017 Содержание  Введение ........................................................................................................3 І. Орбитальные солнечные станции........................................................4 ІІ. Космические солнечные электростанции.........................................9 ІІІ. Планирования  подобного проекта реализуются в странах мира. а). Российские учёные предлагают создать на орбите   солнечнуюэлектростанцию...........................................................13 б). Японские ученые планируют добывать солнечную     энергию на околоземной орбите.................................................16  В Австралии из заброшенного золотого рудника сделают     в).     хранилище солнечной                энергии..........................................17 ІV. Космос и энергетика будущего..........................................................19 Заключение...................................................................................................23 Список использованной литературы.....................................................24 1 Аннотация Орбитальные солнечные электростации как перспективный  путь  решения энергетических и экологических проблем. Цель исследовательской работы: анализ  на тему  «Генерация энергии  на орбите Земли».  Выявление актуальности проекта, основных проблем и их  путей решения.   Задачи этой работы: выявление научной проблемы, актуальности  данного проекта, определение теоретических и методологических основ  работы, а так же установление теоретической и практической значимости.   Объект исследования: статья «Орбитальные солнечные электростанции  как перспективный путь решения энергетических и экологических проблем»   Предмет исследования: пункты статьи. Краткая история разработки  проектов КСЭС. Отечественные разработки в области КСЭС.     2 Введение Современность нельзя представить без электрической энергии.  Электроэнергия уже давно и заслужено считается «кровью экономики», а с  ростом количества приборов, которые нас окружают, наша зависимость от  этой отрасли будет увеличиваться . При этом будет активно развиваться частная альтернативная  энергетика: микроветрогенераторы, солнечные батареи и т .д .По оценкам  Европейской комиссии, к 2020 году в странах Евросоюза в инду­стрии  возобновляемой энергетики будет создано 2,8 миллиона рабочих мест .Уже  сейчас 28% всего электричества в Дании вырабатывается с помощью  ветряков, а 7% электричества в Германии обеспечивают солнечные батареи .  В работе показали эффективные пути получение электрической энергии из  экологически чистой солнечной энергии с использованием методов  фотоэлектронных инвенторов.  Космическая техника способна решить проблемы энергообеспечения  землян электроэнергией и стабилизации погоды путём создания космических  солнечных электростанций (КСЭС). Возможно создать государственная  программа КСЭС в Казахстане, как сделано в Японии,  и первым этапом этой  программы (должно стать) создание экспериментального маломасштабного  центробежного лазерного прототипа КСЭС на специализированной платформе В ходе опыта предложил новый взгляд на экономию электрической  энергии. В своем работе  я хотел бы постараться объективно осветить проблему, дать   общую   картину,   что   происходит   с   возобновляемыми   источниками энергии в мире и обосновать, насколько они актуальны для Казахстана. 3 І. Орбитальные солнечные станции Потребление  энергии человечеством составляет всего около 2/10000  суммарного поступления энергии солнечного излучения на поверхность  Земли. Вместе с тем, в сравнении с энергией, идущей на процессы  фотосинтеза (около 40 ТВт), мировая энергетика соизмерима и, по оценкам,  достигает около 20% от нее, что указывает на принципиальную возможность  заметного глобального влияния энергетики на биосферу. Энергетика  ответственна примерно за 50% всех вредных антропогенных выбросов в  окружающую среду, в том числе парниковых газов. [1] На каждый освещенный квадратный метр земной поверхности Солнце  обрушивает 1 кВт/час световой энергии, что является весьма существенной  величиной. А ежегодно на поверхность нашей планеты поступает 620 млн.  млрд. кВт/час лучистой энергии. Это в тысячи раз больше нынешних... Идея орбитальных электростанций разрабатывалась давно, ученые  занимаются подобными исследованиями еще с 60­х годов. Ранее воплощение  подобных проектов тормозила высокая стоимость транспортировки, но с  развитием технологий космические электростанции могут в обозримом  будущем стать реальностью. 4 На днях в Колорадо прошла конференция «Новое поколение  суборбитальных исследователей», на которой обсуждались, в частности,  проекты строительства космических солнечных станций. И если раньше  подобные идеи никто всерьез не воспринимал, то сейчас они действительно  близки к реализации. Так, Конгресс США готовит план постепенного перехода Америки от  ископаемого топлива на космическую энергетику. За внедрение проекта будет отвечать специально созданный департамент космоса, активную роль в его  работе будут играть NASA, министерство энергетики и другие организации. До октября нынешнего года министерство юстиции должно представить Конгрессу все необходимые изменения и дополнения к действующему  федеральному законодательству, чтобы начать строительство космических  солнечных электростанций. В рамках программы на начальном этапе  планируется разработать системы ядерных космических двигателей, чтобы  применять корабли многоразового использования для космической логистики  и строительства гелиоустановок на орбите. В активной разработке также технологии, позволяющие преобразовать  солнечный свет в электричество и телепортировать его на Землю. В частности, специалисты Калифорнийского технологического института  предлагают освещать планету с помощью орбитальных «ковров­самолетов».  Это системы из 2 500 панелей толщиной 25 мм и длиной в 2/3 футбольного  поля. Элементы такой станции будут доставлять на орбиту ракеты вроде  Space Launch System — американской сверхтяжелой  ракеты­носителя,  разрабатываемой NASA. Космическая электростанция создается в рамках  SSPI (Space Solar Power Initiative) — партнерского проекта Калифорнийского  технологического университета и компании Northrup Grumman. Последняя  инвестировала $17,5 млн, чтобы в течение предстоящих трех лет разработать  основные компоненты системы. Инициативу также поддержали исследователи в лаборатории Jet Propulsion в NASA. 5 По словам профессора Калифорнийского технологического  университета Гарри Этуотера, возглавившего Space Solar Power Initiative,  «ковры­самолеты» преобразуют солнечную энергию в радиоволны и  отправляют их на землю. Энергия будет передаваться по принципу  фазированной решетки, которая используется в радарных системах. Это  позволит создавать поток, движущийся в любом направлении.   Солнечные панели состоят из плиток, размером 10х10 см и весом около  0,8 г, что обеспечит сравнительно невысокую стоимость запуска конструкции. Каждая плитка станет передавать преобразованную энергию автономно и если одна из них выйдет из строя, остальные будут продолжать работать. Потеря  нескольких элементов из­за солнечных вспышек или мелких метеоритов не  нанесет вреда электростанции. По расчетам ученых, при массовом  производстве стоимость электричества от такого источника будет меньше,  чем при использовании угля или природного газа. Процент наземных солнечных установок в общем балансе  энергообеспечения многих стран мира становится все выше. Но возможности  таких электростанций ограничены: по ночам и при сильной облачности  солнечные батареи утрачивают способность вырабатывать электричество.  Поэтому идеальный вариант — разместить гелиоэлектростанции на орбите,  где день не сменяется ночью, а облака не создают преград между Солнцем и  панелями. Главным преимуществом постройки электростанции в космосе  является ее потенциальная эффективность. Солнечные батареи,  расположенные в космосе, могут генерировать энергии в десять раз больше  батарей, размещенных на поверхности Земли. Идея орбитальных электростанций разрабатывалась давно, ученые из  NASA и Пентагона занимаются подобными исследованиями еще с 60­х годов.  Ранее воплощение подобных проектов тормозила высокая стоимость  транспортировки, но с развитием технологий космические электростанции  могут в обозримом будущем стать реальностью. 6 Уже есть несколько интересных проектов по строительству солнечных  установок на орбите. Кроме Space Solar Power Initiative, американцы  разрабатывают орбитальную солнечную панель, которая будет поглощать  солнечное излучение и передавать электронные пучки с помощью радиоволн  на земной ресивер. Авторами разработки стали специалисты из научно­ исследовательской лаборатории ВМС США. Они построили компактный  солнечный модуль, на одной стороне которого оборудована фотоволь­ таическая панель. Внутри панели установлена электроника, преобразующая  прямой ток в радиочастоту для передачи сигнала, другая сторона  поддерживает антенну для передачи электронных пучков на Землю. По словам ведущего автора разработки Поля Джаффе, чем ниже  частота электронного пучка, несущего энергию, тем более надежной будет ее  передача в плохую погоду. А при частоте 2.45 ГГц, можно получать энергию  даже в сезон дождей. Солнечный  ресивер обеспечит энергией все военные  операции, о дизельных генераторах можно будет навсегда забыть.  США не единственная страна, которая планирует получать электроэнергию из космоса. Жесткая борьба за традиционные энергетические ресурсы заставила  многие государства искать альтернативные источники энергии.  Японское агентство по освоению космоса JAXA разработало для установки  на орбите Земли фотоэлектрическую платформу. Собранная с помощью  установки солнечная энергия станет поступать на приемные станции Земли и  преобразовываясь в электричество. Сбор солнечной энергии будет вестись на  высоте 36 тыс. км. 7 Такая система, состоящая из серии наземных и орбитальных станций,  должна начать работать уже в 2030 г., ее общая мощность составит 1 ГВт, что  сопоставимо со стандартной атомной электростанцией. Для этого в Японии  планируется построить искусственный остров длиной 3 км, на котором  развернут сеть из 5 млрд антенн для преобразования в электричество  радиоволн сверхвысоких частот. Возглавивший разработку научный  сотрудник JAXA Сусуми Сасаки уверен, что размещение солнечных  аккумуляторов в космосе приведет к революции в энергетике, позволив со  временем полностью отказаться от традиционных источников энергии.     Аналогичные планы есть и у Китая, который построит на орбите Земли  солнечную электростанцию размером больше, чем Международная  космическая станция. Общая площадь солнечных панелей установки составит  5–6 тыс. кв. км. Согласно расчетам экспертов такая станция станет собирать  8 солнечные лучи 99% времени, причем космические гелиопанели смогут  генерировать в 10 раз больше электричества на единицу площади, чем  наземные аналоги. Предполагается, что для передачи на наземный коллектор  вырабатываемая электроэнергия будет преобразовываться в микроволны или  лазерный луч. Начало строительства запланировано на 2030 г., стоимость  проекта составит около $1 трлн.  Мировые инженеры оценивают возможности строительства солнечных  космических электростанций не только на орбите, но и в областях, более  близких к Солнцу, возле Меркурия. В этом случае солнечных батарей  потребуется почти в 100 раз меньше. При этом приемные устройства можно  вынести с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить  эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом  диапазонах.  Разрабатываются также проекты лунных солнечных электростанций.  К примеру, японская компания Shimizu предложила создать пояс из  солнечных батарей, протянутый по всему экватору Луны на 11 тыс. км и  шириной 400 км. Его разместят на обратной стороне спутника Земли, чтобы система  постоянно находилась под солнечными лучами. Связать панели можно будет  при помощи обычных силовых кабелей или оптических систем. Генерируемое  электричество планируется передавать при помощи больших антенн, а  получать при помощи специальных ресиверов на Земле. В теории проект выглядит прекрасно, остается придумать, как доставить  сотни тысяч панелей на спутник Земли и там их установить, а так же как  доставлять энергию с Луны на нашу планету, не потеряв по пути  значительную ее часть: ведь придется преодолеть 364 тыс. км. Так что идеи  создания лунных электростанций слишком далеки от реальности и если они и  реализуются, то очень нескоро.  [2] 9 ІІ. Космические солнечные электростанции  Непостоянство  солнечной  радиации  и  сравнительно небольшая  ее   интенсивность,  приходящаяся  на  единицу  земной  поверхности,  приводят   к  тому,  что  строительство  наземных  СЭС  требует  затраты больших  площадей  для  размещения  на  ней  поля  гелиостатов(или  пруда),  аккумулятора и других сооружений. В  связи  с  этим  высказываются  многочисленные  идеи  использоват для  СЭС  спутники.  Суть  этих  идей  заключается  в  том,  что  спутник  особой  конструкции  запускается  на  геостационарную (геосинхронную)  орбиту  (примерно  35  000  км),  где  он  вращается  синхронно  с  планетой  и  как бы  зависает  над  определенной  точкой  земной  поверхности.  В  этих  условиях  спутник  более  99%времени  будет  освещаться  солнцем  и  при  этом   плотность потока  энергии  составляет  1,4  кВт/м2,  т.  е.  в  5, 7 ра   больше, чем в среднемна поверхности Земли. Сконцентрированная на   спутнике солнечная  энергия после преобразования в  электрическую через  специальную  антенну узким пучком  в микроволновом  диапазоне  электромагнитного излучения с частотой 2,4—2,5  ГГц(длина  волны  10­12   см) без каких­либо атмосферных помехпередается на  Землю.  На Земле  излучение принимается на соответствующуюантенну, и  после   преобразования в  переменный ток  промышленной частотыпоступает в  энергосистему или  непосредственно потребителям.  В этом суть космической солнечной электростанции (КСЭС). Процесс  преобразования  солнечной  энергии  в  электрическую  может  быть  при  этом  осуществлен  двумя  основными  путями.  Первый  из  них  основан  на  использовании  любых  полупроводниковых  фотоэлектрических  преобразователей.  Однако  в  известных  проектах  КСЭС  предполагается 10 использовать  лишь  два  типа  фотопреобразователей  —  на основе кремния  и арсенида  галлия.  Каждый  из  них  имеет  свои  достоинства  и  недостатки. Расчеты  показывают,  что,  используя,  такие  преобразователи  для  создания  КСЭС мощностью 500 МВт, общая масса в обоих случаях составит примерно  8000 т,  а вместе  с несущими  каркасами, концентраторами, проводника  и  другой  аппаратурой более 12  000 т.  И  если  этот показатель для  КСЭС  с  обоими типами преобразователей одинаков, то следует  отметить,  что   кремниевые преобразователи пока еще очень дороги, так как монокристаллы  высокой чистоты выращивать чрезвычайно трудно, а  галлиевые  преобразователи хотя и имеют более высокие значения КПД и  ряд других   более высоких качеств, чем кремниевые, однако  существенным   препятствием на пути их применения является ограниченность запасов  галлия,  сложность  и высокая стоимость его добычи и  переработки.    Расчетный  срок службы  таких КСЭС определяется в 30—35 лет. Второй  способ  преобразования  для  КСЭС  солнечной  энергии  в  электрическую  принципиально  может  быть  осуществлен  на  основе  любых  известных  преобразователей  тепловой  энергии—машинных(газо­  и  паротурбинных),  прямых(термоэмиссионных,  термоэлектрических,  МГД)  и  ряда  других  устройств.  Однако  наибольшее  распространение  в  разработанных  проектах  нашли  системы  на  базе  газо­  и  паротурбинных  преобразователей  замкнутого  типа,   работающих  по  циклам  Брайтона  и  Ренкина. Основными  достоинствами этих  преобразователей  являются  значительно  более  высокий,  чем  у  фотопреобразователей  КПД(до  40%  против  14—16%),  хорошо  освоенная  технология  производства  мощных  турбин  и  генераторов,  наличие  развитой  промышленной  базы  и  ряд   других технических и экономических качеств. 11 Сопоставляя  газотурбинные  и  паротурбинные  преобразователи,  отметим,   что  первые  имеют  более  низкий  КПД,  чем  вторые.  Поэтому  для  получения  одинакового  КПД  газотурбинные  преобразователи  должны   иметь  больший  перепад  температур  в  цикле  Брайтона  и  соответственно   большие размеры  тепловыделяющей  поверхности  холодильника— излучателя. Важным  преимуществом  газотурбинных  преобразователей  являются  однофазность  рабочих  тел(инертные  газы),  отсутствие  агрессивности  их  к  конструкционным материалам, легкость  запуска и  регулирования. Все  это  привело  к  тому,  что  пока  использование  в  проектах  КСЭС   газотурбинных преобразователей находит большое распространение. В  этом случае  процесс  преобразования  солнечной  энергии  в  электрическую будет сводиться к следующему. Так же, как и в  обычных СЭС башенного типа, концентраторы (обычно в форме параболоида вращения)  собирают солнечный свет  и  после многократного его  усиления направляют  на  теплоприемник. В  качестве  рабочего тела  используется какой­либо  инертный  газ (например аргон), который, будучи  нагретым до 1000—1300 К,  поступает  в турбину  и  вращает ее  вал  вместе  с ротором генератора. Отработавший  в  турбине газ охлаждается  в рекуператоре  и  радиаторе  и компрессором, расположенным  на  одном  валу  с   турбиной,  вновь  подается  в теплообменник. Общий КПД  всей установки  составляет при этом примерно 18%.  Известен проект  такой   КСЭС ,  состоящий  из 16 блоков турбогенераторов мощностью 500  МВт  каждый.  Удельная масса, т, е. масса, приходящаяся на  1  кВт  установленной   мощности,  в  этой  схеме  составляет  2 кг/кВт, что  по крайней  мере  вдвое  меньше, чем  у современных  солнечных батарей. Однако  преобразование  солнечной  энергии  в  электрическую  с  использованием  космической  ТЭС  имеет  ряд  существенных  недостатков. 12 Во­первых,  наличие  вращающихся  узлов  и  деталей  снижает  эксплуатационную надежность установки, что в условиях космоса  имеет  большое  значение.  Этот  недостаток,  правда,  можно  избежать,  если  вместо вращающихся  турбин  использовать МГД­генераторы. Низкие температуры  космоса упрощают при  этом применение сверхпроводящих обмоток  магнитов, а  почти абсолютный вакуум облегчает задачу герметизации. Во­ вторых, изготовление огромного концентратора, имеющего форму   параболоида вращения, в условиях космоса представляет большие трудности. [3] В целом, идею привлекательности космических солнечных  электростанций можно пояснить так. Если на геостационарной орбите Земли  разместить полосу шириной 1 километр, то такая полоса за один год получит  212 тераватт энергии. И это при том, что энергоёмкость ВСЕХ разведенных  запасов нефти составляет не более 250 тераватт. В целом космическая энергосистема выглядит так: зеркала­ концентраторы направляют на солнечную панель излучение, которое  преобразуется в мощный микроволновый луч с частатотой 2,5 – 6 ГГц,  который и направляют на приемную станцию, расположенную на поверхности  Земли. Такая система позволяет концентрировать зеркалами на 35% больше  излучения, которое рассеивается при попадании в атмосферу Земли. Кроме  того, геостационарные спутники позволяют поставлять энергирю стабильно  непрерывно, что тоже немаловажно, ввиду отсутствия на сегодняшний день  выгодных устройств для аккумулирования больших объемов энергии. В свою очередь, микроволновая передача энергии позволяет довести  к.п.д. передачи до 80­90%, а это очень и очень много. Но использование  микроволнового излучения накладывает ряд ограничений. Во­первых, это размер передатчика – даже при низшей границе чатоты  передачи в 2,5 ГГц он составит около километра. Приемник же придется  делать и того больше – около 10 километров. Во вторых, электронные  компоненты, позволяющие преобразовать свет в микроволновое излучение и  работать при огромных температурах, пока существуют лишь в виде  малопригодных к промышленному использованию лабораторных протипов.  И, наконец, размеры зеркал и солнечных батарей оказываются в разы  больше передатчика – а это километры материалов, которые нужно не только  поднять на орбиту, но и собрать и настроить. Но не стоит забывать и об  эксплуатационных расходах на содержание подобных технологических чудес.  Ведь космос обыкновенно стоит космических денег. А у нас и на поверхности  пока дел и проблем предостаточно. 13 ІІІ. Планирования  подобного проекта реализуются в странах мира. а). Российские учёные предлагают создать на орбите солнечную  электростанцию Существующие   проекты   солнечных   космических   электростанций предполагают   использование   высокоэффективных   космических   батарей. Такие батареи есть, но проект реализовать трудно по нескольким причинам. Специалисты   проявляют   все   больший   интерес   к   использованию   солнечной энергии, в том числе, к созданию солнечных космических электростанций. Сотрудники   ФГУП   НПО   им.   Лавочкина   предлагают   новый   принцип построения такой электростанции. Существующие   проекты   солнечных   космических   электростанций предполагают   использование   высокоэффективных   космических   батарей. Такие батареи есть, но проект реализовать трудно по нескольким причинам. Орбитальная конструкция для сбора солнечной энергии должна быть очень большой:   к   примеру,   для   получения   10   ГВт   электроэнергии   с   10% эффективностью   фотопреобразователей   потребуется   около   10   км2.   Затем собранную   энергию   надо   будет   передать   на   Землю   в   виде   хорошо сфокусированного   СВЧ­пучка.   Для   этого   понадобится   космическая передающая антенна размерами более 1 км, а приемную антенну (ретенну) придется делать размером 15 км. Такое оборудование невозможно изготовить, равно   как   и   обеспечить   его   надежную   работу.   К   тому   же   возможности ракетно­космической   техники   не   позволяют   собрать   на   орбите   такую сложную и большую конструкцию. Специалисты   ФГУП   НПО   им.   Лавочкина   предлагают   отказаться   от построения   километровых   сооружений   и   разместить   солнечные   батареи   и излучающие   антенны   на   системе   автономных   спутников,   управляемых   по пилотному сигналу с Земли. Для антенны ученые предлагают использовать коротковолновой СВЧ диапазон вплоть до миллиметровых радиоволн. Это даст   возможность   формировать   в   космосе   узкие   пучки   при   минимальных размерах   генераторов   и   усилителей.   Небольшие   генераторы   позволят   и принимающие антенны сделать на порядок меньше. Кстати, ученые планируют размещать   их   на   привязных   аэростатах   на   высоте   4000   км.   При   таком расположении молекулярный кислород не будет поглощать миллиметровые 14 волны. Кроме того, привязной высотный аэростат можно установить в любом районе. Излучения с отдельных спутниковых антенн должны сходиться в месте расположения   ретенны.   Каждый   автономный   спутник   будет   представлять собой   элемент   большого   антенного   поля,   сформированного   из   флотилии таких космических аппаратов. Чтобы   этот   проект   можно   было   реализовать,   необходимо   создать достаточно   большую   фотоизлучающую   панель,   которая   преобразует солнечное   излучение   непосредственно   в   СВЧ   энергию.   Современные возможности   ракетно­космической   техники   позволяют   в   ближайшее   время создать   космические   аппараты   с   панелями   площадью   до   500   м2. Эффективность  фотопреобразователей   сейчас  достигает 60%.  Возможно,  к началу   опытно­конструкторских   работ   по   солнечным   космическим электростанциям   промышленное   производство   таких   преобразователей   уже наладят. А   работы   предстоят   немалые.   Нужно   будет   создать   такую полупроводниковую   структуру,   которая   не   только   преобразует   солнечную энергию,  но   и   одновременно   излучает   ее   в   СВЧ   диапазоне.  А   также   надо разработать систему управления автоматическими космическими аппаратами, которая   позволит   создать   из   отдельных   спутников   единое   антенное   поле. Чтобы Евразия мог решить проблемы будущего энергетического кризиса и не отставать   от   развитых   стран,   эти   исследования,   по   мнению   ученых,   надо начинать уже сейчас. [4] 15 Российские   учёные   предлагают   создать   космическую солнечную электростанцию на   орбите   Земли,   поскольку   такой   способ   получения энергии дешевле, чем добыча углеводородного топлива. Говорится в докладе представителей   головного   научного   института   Роскосмоса   ЦНИИмаш, Московского   авиационного   института   и   НПО   имени   Лавочкина,   который будет представлен на Академических чтениях по космонавтике. «Космическая техника способна решить проблемы энергообеспечения  землян электроэнергией и стабилизации погоды путём создания космических  солнечных электростанций (КСЭС). Необходима государственная программа  создания КСЭС в России, как это сделано в Японии, и первым этапом этой  программы (должно стать) создание экспериментального маломасштабного  (порядка 10 кВт) центробежного лазерного прототипа КСЭС на грузовом  корабле «Прогресс» или специализированной платформе», – говорится в  документе. 16 Как   отмечают   учёные,   в   Японии   после   аварий   на   трёх   атомных реакторах   была   принята   программа   создания   Космической   СЭС,   сроки намечены на 2025 год. «Поскольку   цена   «космического   электричества»   ожидается   в   6   раз дешевле   земного,   то   возможно   быстрое   завоевание   Японией   мирового энергетического   рынка.   При   этом   такие   организации,   как   «Газпром», «Роснефть», Росатом с большими человеческими ресурсами и планами станут не востребованы и наступит конец эры углеводородов».[5] б)Японские ученые планируют добывать солнечную энергию на околоземной орбите После   аварии   на   «Фукусиме»   японские   ученые   ищут   новые,   более безопасные источники энергии. Одним из возможных вариантов специалисты рассматривают добычу солнечной энергии прямо из космоса. Как сообщает японское космическое ведомство, для этого на геостационарной орбите будет построена специальная платформа, которая станет собирать энергию Солнца и передавать ее на Землю. Планируется, что платформа будет расположена на высоте в 36 000 километров   от   поверхности   нашей   планеты.   Помимо   звездной   платформы 17 нужно будет создать специальную станцию на Земле, которая будет способна принимать солнечную энергию из космоса. И   хотя   точная   сумма   проекта   пока   не   известна,  японские   инженеры усиленно работают над составлением сопутствующих карт. Планируется, что проект может стартовать уже в 2030 году. Как   сообщают   специалисты   из   JAXA,   мощность   сети   построенных орбитальных станций будет равна 1 гигаватт, что в случае успеха позволит отказаться   от   атомных   электростанций,   так   как   их   мощности   будут сопоставимыми.   На   Землю энергия будет   попадать   при   помощи   радиоволн, обладающих сверхвысокими частотами. Объясняя   выбор   конструкции,   японские   ученые   отмечают,   что геостационарная   орбита   позволит   солнечной   ферме   постоянно   парить   над конкретным районом планеты. Это обеспечит непрерывную передачу энергии в данную точку. Инженеры уже сообщили, что станция приема солнечной энергии будет располагаться на искусственном острове, который создадут специально для этих целей. Для этого будет достаточно небольшого образования диаметром в 3   км.   Наземная   станция   приема   станет   получать   из   космоса   радиоволны посредством 5 миллиардов антенн и преобразовывать их в электроэнергию. Несмотря на то, что затраты на проект предполагаются колоссальными, взамен страна получит неиссякаемый источник чистой энергии. Поэтому к проекту   приковано   пристальное   внимание   ученых   разных   стран.   В   случае успеха,   данный   проект   станет   трендом   в   энергетике   будущего,   который положит конец войне за энергетические ресурсы. IEEE   Spectrum, Как   сообщает   издание     в   качестве «пробника» Япония запустит   в   2020   году   космическую   ферму   небольшой мощности в 100 киловатт, на которой планирует испытывать и отрабатывать новые технологии. Когда все компоненты системы будут работать как надо, инженеры   приступят   к   строительству   более   мощной   фотоэлектрической платформы[6] г).     В Австралии из заброшенного золотого рудника сделают хранилище солнечной энергии В   Австралии   на   территории   заброшенной   золотодобывающей   шахты планируют   создать   первую   в   мире   гибридную   систему   хранения   энергии, которая   объединит   технологию   гидроаккумуляции   и   выработки   солнечной энергии. Крупнейший   в   Австралии   золотой   рудник   Кидстон,   принадлежавший канадской компании, закрылся еще в 2001 году. На его территории осталось 18 два кратера глубиной 300 метров, расположенные по соседству друг от друга. Австралийская компания Genex планирует использовать огромные кратеры, оставшиеся   после   добычи   золота,   для   создания   первой   в   мире   гибридной гидроаккумулирующей   системы   хранения   энергии   с   интегрированной солнечной электростанцией. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) широко используются для хранения энергии в промышленных масштабах по всему миру, занимая около 99% этого рынка. Технологии ГАЭС можно использовать для хранения «непостоянной» энергии   возобновляемых   источников   (солнечная,   ветровая),   моментально отправляя   ее   в   сеть,   когда   возникает   спрос   —   в   периоды   пикового потребления или в случаях непредвиденных сбоев в электросети. Сейчас на территории золотого рудника уже приступили  к строительству солнечной электростанции мощностью   50   МВт,   которую   планируют   ввести   в эксплуатацию   к   концу   2017   года.   Ее   стоимость   оценивается   в   100   млн долларов. По   расчётам, солнечные   батареи будут   вырабатывать   145   000   МВт*ч энергии   в   год,   чего   достаточно,   чтобы   обеспечить   около   27   500 среднестатистических   австралийских   домохозяйств.   Вторым   этапом реализации   проекта   станет   создание   гидроаккумулирующей   станции мощностью 300 МВт. Ежедневно система аккумулирования будет работать по 7­часовому циклу, что позволит ей обеспечивать подачу в сеть 2250 МВт*ч энергии. 19 Все,   что   требуется   для   создания   гидроаккумулирующей   системы хранения энергии — это два резервуара на разных высотах, как правило, от 100 до 1000 метров, и возможность перекачивать между ними воду. Разность высот   (высота   напора   воды)   и   объем   воды,   который   хранится   в   верхнем резервуаре, определяют потенциальную энергию всей системы. Когда спрос на электроэнергию низкий, электричество из электросети используется, чтобы перекачать   воду   в   верхний   резервуар.   Когда   спрос   на   электроэнергию повышается,   вода   сбрасывается   в   нижний   резервуар.   Во   время   сброса   в нижний резервуар, вода перетекает по трубе и приводит в действие турбину подземной гидроэлектростанции, которая превращает потенциальную энергию в электричество. Согласно оценкам Genex, высота напора воды в их системе хранения энергии составит 190 м, а верхний резервуар сможет вместить до 5 млн куб. м воды. В Австралии работают три гидроаккумулирующие электростанции, но эти   три   системы   сопряжены   с   гидроэнергетическими   объектами   на   реках, тогда как новая система будет интегрирована с солнечной станцией. Так, вода между резервуарами будет непрерывно перекачиваться в закрытом цикле, не будучи сбрасываемой. Место   для   строительства   хранилища   и   инфраструктура,   оставшаяся после закрытия золотого рудника — два уже наполненных водой огромных резервуара   в   непосредственной   близости   друг   от   друга,   с   дамбой   и трубопроводом — идеально подходят для реализации проекта. Кроме того, на территории   рудника   остались   линии   электропередач   и   подстанции,   что упростит   передачу   накопленной   электроэнергии,   а   также   сэкономит   сотни миллионов   долларов,   которые   потребовались   бы   на   создание   новой инфраструктуры.[7] ІV. Космос и энергетика будущего Рост численности населения на Земле и, соответственно, энергопотребления  ведет не только к энергокризису, но и к экологической катастрофе. Панацеей  20 может стать ограничение использования природного топлива и переход на  возобновляемые источники энергии и атомную энергетику. Последняя,  однако, уже не вызывает того энтузиазма, который был тридцать лет назад, до  Чернобыльской катастрофы. Считается, что существенный вклад в решение  энергетических и экологических проблем могут внести, заметно снизив  тепловую нагрузку на Землю, космические электростанции. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании  непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. По сути,  солнечная энергетика – своего рода алхимия: берёте бесплатное солнечное  излучение и превращаете его в нечто, имеющее стоимость.  Наиболее простой способ преобразования солнечной энергии в электрический ток – использование так называемого внешнего фотоэффекта, когда кванты  света «вышибают» из поставленного перед ним материала электроны. По  этому принципу работают, в частности, солнечные батареи, обеспечивающие  питанием бортовую аппаратуру космических аппаратов. Если коэффициент  полезного действия (КПД) первых, созданных советскими физиками в 1950­х  годах, сернисто­гелиевых солнечных элементов еле дотягивал 1%, то к началу ХХI века он составлял уже порядка 20%. В основном этого удалось добиться  за счет совершенствования технологий получения из кварцитов чистого  кремния – основного материала для производства солнечных элементов. Использование в последние годы российскими учеными нанотехнологий  позволило значительно улучшить эффективность этих процессов и получить  фотоэлементы с почти 50% КПД. На практике это означает, что с 1 кв. м  21 солнечной батареи можно получать около 600 Вт электрического тока.  Проблема в низкой интенсивности солнечного излучения на уровне земной  поверхности из­за поглощающего влияния атмосферы, облачности, различных  загрязнений и пр.  Отсюда недостаточная эффективность работы солнечных электростанций  (СЭС) в земных условиях, и естественный вывод – строить их надо в космосе.  Проекты космических электростанций особенно активно разрабатывались в  годы энергетического кризиса середины 1970­х годов. Но ни один из них так и не был реализован. Основных причин две. Первая – недостаточное  совершенство на то время солнечных батарей. Лишь около 30% их массы  приходилось на полупроводниковые элементы, а остальное ­ на конструкцию.  Срок службы батарей исчислялся в лучшем случае несколькими годами.  Оптимальным вариантом считалась работа в течение 20­30 лет. При том, что к концу этого периода деградация солнечных элементов достигала бы 40 %. Вторая причина – все проекты были «привязаны» к геостационарной  орбите, удаленной от поверхности Земли примерно на 36000км. На такой  орбите электростанция лишь на несколько дней весеннего и осеннего  равноденствия попадает в тень Земли и перестает освещаться Солнцем. Кроме того электростанция будет постоянно находиться над определенной точкой  земной поверхности, что удобно для передачи энергии на Землю. Но доставка  полезной нагрузки на такую орбиту требует мощных средств выведения.  Расчеты показывали, что получение электрической энергии в этом случае  будет коммерчески невыгодным. Не были до конца решены и проблемы передачи энергии без проводов с  помощью СВЧ­излучения.  Развитие техники позволило за последние годы существенно улучшить  все показатели использования космических электростанций. Считается, что в  течение нескольких ближайших лет будут созданы все необходимые  технологии (которых пока нет) и первая электроэнергия из космоса может  быть передана на Землю со спутников на околоземной орбите уже через 7­10  лет. Самое интересное, что инициатором одного из таких проектов выступил  Пентагон. Предлагается создать группировку спутников с легкими зеркалами, площадью в несколько квадратных километров. Они будут фокусировать  22 солнечный свет на панели солнечных батарей. Вырабатываемый ими  электрический ток преобразуется в микроволновое излучение. На Земле оно  будет приниматься специальным устройством ­ ректенной (от английского  rectifying antenna ­ выпрямляющая антенна), представляющей собой антенную  решетку, в которой микроволновое излучение (СВЧ­излучение) преобразуется в энергию постоянного тока. Страна восходящего Солнца первоначально планировала обзавестись  орбитальной электростанцией к 2020 г. В отличие от американцев  предполагалось создать ее на геостационарной орбите. Предварительно в  космос должен быть выведен спутник, на котором японские ученые  отработают передачу на Землю электроэнергии с помощью микроволнового  луча. После восьми лет предварительных проработок был сделан вывод, что  раньше 2040 г. космическую электростанцию создать не удастся. Всего в проекте участвуют 16 крупнейших японских компаний. Ближайшие  четыре года исследовательская группа потратит на разработку технологий, в  первую очередь по передаче энергии из космоса на Землю. Планируется, что  общая площадь солнечных батарей электростанции составит четыре  квадратных километров. К моменту начала практических работ по сооружению станции Япония  намерена отладить собственные каналы доставки грузов на орбиту. Проект, в  целом, оценен в 21 млрд долл. И, опять­таки, одной из существенных  слагаемых этой суммы станет стоимость доставки элементов станции на  геостационарную орбиту. Сегодня за 1 кг груза нужно платить 35­50 тыс.  долл. Это одна из причин, по которой российские специалисты считают более  предпочтительным (в экономическом плане) создание электростанций на  околоземных орбитах.  Концепция энергоснабжения Земли из космоса с использованием низких  околоземных орбит была разработана Исследовательским центром им.  М.В.Келдыша. По расчетам специалистов Центра уже к 2020­2030 гг. можно  создать 10­30 космических СЭС, каждая из которых будет состоять из десяти  энергомодулей мощностью 15 МВт. Таким образом, суммарная мощность  станции будет равна 1,5­4,5 ГВт, а мощность, доставляемая потребителю на  Земле, – 0,75­2,25 ГВт. По оптимистическим планам к 2050­2100 годам  23 количество модулей можно будет довести до 800 единиц. При этом  количество модулей в каждой станции возрастет до 40. Было бы неправильным ничего не сказать об очевидных отрицательных  факторах создания и эксплуатации космических электростанций. Чтобы их  вклад в земную энергетику был действительно весомым, таких станций  должно быть построено не одна тысяча. Создание каждой из них потребует  запуска десятков тяжелых ракет­носителей, что будет сопровождаться  выбросом в земную атмосферу миллионов тонн продуктов сгорания ракетного топлива. С другой стороны – при передаче энергии на Землю атмосферу  пронзят интенсивные потоки СВЧ­излучения, потери которого в воздушной  оболочке нашей планеты могут достигать 50% его мощности, что, в свою  очередь, может привести к разогреву атмосферы. Поэтому внесут ли  космические электростанции существенный вклад в решение земных  энергетических и экологических проблем или напротив станут их только  усугубл@ть, еще предстоит оценить. [8] 24 Заключение Анализируя исследовательскую работу, я выделил   следующие проблемы, стоящие на пути создания КСЭС: Доставка тяжелых конструкций на орбиту; Монтаж многокилометровых  конструкций в космосе; Обеспечение передачи энергии от фотопреобразователей к СВЧ­ преобразователю по тоководам; Увеличение КПД фотопреобразователей; Охлаждение мощных электронных СВЧ­преобразователей в  безвоздушном пространстве; Точной фокусировки СВЧ­излучателя на наземную ректенну. В данной теме нет теоретической  значимости, зато есть очень большая  практическая значимость. Значимость создания КСЭС следующая: Получение огромного количества экологически чистой энергии; Способность питать энергией межпланетные станции и телескопы; Большая экономическая выгода от продажи электроэнергии; Возможен космический туризм       1. 2. 3. 4.   КСЭС ­космических солнечных электростанций  СВЧ­сверхвысокочастотное излучение КПД ­Коэффици нт пол зного д йствия ФГУП — федеральное Государственное унитарное предприятие ее   ее ее 25 Список использованной литературы 1. Фортов В. Е., Попель О.С. Энергетика России в современном мире. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010 2.http://www.dsnews.ua /future/kogda­kosmicheskaya­energiya­zamenit­neft­ i­gaz 3.http://greenevolution.ru/enc/wiki/kosmicheskie­solnechnye­elektrostancii 4. http://webeko.ru/problemy/energiya/elektrostantsciya­na­orbite­zemli.htmі 5. http://sun­shines.ru/ros­kosmos­solar/ 6. http://zeleneet.com/yaponskie­uchenye­planiruyut­dobyvat­solnechnuyu­ energiyu­na­okolozemnoj­orbitе 7. http://sun­shines.ru/solar/news/ Новости солнечной энергетики 8. novaya­energetika/kosmicheskaya­energetika/kosmos­i­energetika­ buduschego 26