Как будут работать космические солнечные электростанции?
Уровень моря поднимается, ледники тают, а экстремальные погодные условия становятся нормой. Негативные последствия антропогенного изменения климата никуда не уходят, а только усугубляются. Одним из главных виновников этого является двуокись углерода в атмосфере в результате сжигания ископаемых видов топлива, таких как нефть и уголь. К счастью для Земли, мировые поставки ископаемого топлива ограничены. И в течение последних нескольких десятилетий ученые искали возобновляемые источники энергии, чтобы обеспечить энергией всю Землю, не отравляя ее.
Некоторые ученые считают, что люди могли бы получать чистую энергию, собирая ее с помощью солнечных панелей в космосе и отправляя вниз на Землю. Некоторые отраслевые стартапы вроде калифорнийского Solaren прогнозируют, что это станет реальностью к концу десятилетия. Японское аэрокосмическое агентство также планирует строительство космической энергостанции. Мало того, что такой источник будет постоянным, сама энергия будет чистой и неограниченной (пока горит Солнце, а это долго).
Идея звучит фантастически и в свое время именно такой и была. Концепция возникла в научно-фантастическом рассказе Айзека Азимова в 1941 году. Автор написал о мире, в котором Землю питает луч света, черпающий энергию непосредственно от Солнца.
Луч управляется двумя инженерами на космической станции. История начинается с того, что они тренируют робота выполнять определенные задачи. Человек объясняет роботу: «Наши лучи кормят мир энергией, извлекаемой из одного из этих гигантских глобусов-ламп, которые рядом с нами. Мы называем этот глобус Солнцем…»
Мысль об использовании энергии Солнца с гигантскими солнечными коллекторами в космосе была чистым вымыслом 75 лет назад. Но сегодня этот вымысел вполне может быть воплощен в реальность.
Наземная солнечная энергия или космическая солнечная энергии?
Теперь представьте, что мы можем доставить солнечные панели на околоземную орбиту — на 35 000 километров вверх.
«Если вы поставите солнечные панели в космосе, они будут работать 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 99,9% времени в году, — рассказал Пол Яффе, космический инженер Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, в интервью Business Insider. Поскольку ось вращения Земли смещена, Яффе говорит, что «даже на ночной стороне Земли, где может быть спутник, всегда будет солнечно».
Яффе предсказывает, что отдельные космические солнечные батареи смогут производить от 250 МВт до 5 ГВт энергии. Но поскольку Солнце — это непрерывный возобновляемый источник, «общее количество произведенной энергии стремится к бесконечности». Крупный город, столица государства, требует примерно 20 гигаватт энергии. По расчетам Яффе, четыре массива солнечных батарей, каждый на 5 гигаватт, смогут питать целый город круглый год. Стоимость строительства одного солнечного массива неизвестна, но наверняка обойдется в сотни миллионов долларов. Однако как только будет построен первый, второй будет уже значительно дешевле.
Энергетический кризис 1970-х годов заставил США искать альтернативные источники энергии, поскольку стало ясно, что нефть является весьма ограниченным ресурсом, а ее добыча очень зависит от международной политики. Как говорит Яффе, в свое время и NASA, и Министерство энергетики посчитали космические солнечные электростанции возможными, но очень, очень дорогими.
В последующие годы многие страны заинтересовались космической солнечной энергетикой, включая Японию, Китай и несколько европейских стран.
«Многие люди заинтересовались этим, но тогда было куда меньше технических возможностей и аппаратных средств», — говорит Яффе.
В 2009 году секретарь военно-морского флота США Рэй Мабус поставил ряд задач по снижению зависимости ВМС от иностранной нефти и увеличению использования альтернативных источников энергии. В том же году Яффе получил финансирование от научно-исследовательской лаборатории ВМС США, чтобы улучшить технологию, которая преобразовывала бы солнечную энергию, собранную в космосе, в другую форму энергии, которую можно было бы передать на Землю.
Как работает технология?
В космосе большой проблемой является то, как завести эту энергию в сеть.
С солнечными батареями в космосе ученым нужно найти самый эффективный способ передачи постоянного тока от солнечных отражателей на Землю. Ответ: электромагнитные волны вроде тех, что используются для передачи радиочастот или разогрева еды в микроволновой печи.
«Люди могут не связывать радиоволны с передачей энергии, потому что думают о них в связи с коммуникациями, радио, телевизорами или телефонами. Они не думают о них как о переносчиках энергии», — говорит Яффе. Но мы знаем, что микроволны (одна из разновидностей электромагнитных волн) переносят энергию — их энергия нагревает нашу еду.
Яффе называет технологию, над которой работает, модулем «сэндвич». На рисунке ниже показаны похожие на зеркала солнечные отражатели, концентрирующие фотоны солнца на массиве модулей типа сэндвич. Верхняя часть сэндвича получает солнечную энергию. Антенны на нижней боковой балке посылают радиоволны на Землю.
Вернувшись на Землю, содержащие энергию радиочастоты от космических солнечных панелей будут приниматься специальной антенной — ректенной — которая может быть три километра в диаметре.
«Она будет похожа на поле, усеянное проводами. Эти элементы ректенны будут принимать входящие радиоволны и преобразовывать их в электричество», — говорит Яффе.
Мощный пучок радиоволн можно отправить в любое место на Земле, так как направление пучка можно изменить с помощью метода под названием «ретродирективное управление лучом». Достаточно отправить «пилотный сигнал» из центра принимающей станции. Спутник видит сигнал и перенастраивает передатчик для передачи радиоволн на земную станцию.
Огромным преимуществом такой системы как для военных, так и гражданских лиц будет возможность передачи энергии на удаленные базы и места, куда будет логистически сложно и невероятно дорого доставлять дизельное топливо.
Гигантский луч энергии из космоса
Хотя эти радиосигналы содержат больше энергии, чем сигнал телевизора или радио, плотность сигнала все равно будет довольно низкой и не будет угрожать людям, самолетам или птицам, пролетающим через него. Конечно, технология еще не была проверена вне лаборатории, поэтому реальных доказательств ее безопасности пока нет.
Основной проблемой такой системы остается ее стоимость. И эта проблема касается всех участвующих сторон, будь то правительство, частные или коммерческие финансовые фонды.
Трудно сказать, сколько будет стоить полномасштабная реализация космической системы солнечной станции, но явно не меньше сотен миллионов долларов. Есть определенный предел того, насколько большой объект мы можем запустить в космос, да и ракеты тоже стоят недешево. Международную космическую станцию, например, строили в космосе по частям, поскольку не было достаточно большой или мощной ракеты, чтобы запустить полную систему в космос.
Задача Яффе — произвести прототип одной секции модуля «сэндвич», но не закончить проект. Он также тестирует модули в условиях, подобных космическим, чтобы гарантировать, что они смогут противостоять и продолжать работать в невероятной теплоте солнца в космосе.
Яффе пытается найти спонсоров, чтобы обеспечить финансирование продолжению своего проекта. Но подчеркивает, что долгосрочные энергетические проекты довольно сложно продавать, особенно когда он не может показать людям технологию в действии. Яффе считает, что реальным мотиватором будет международная конкуренция, как в 1950-х годах, когда Россия разработала первый спутник и обогнала США в космической гонке. Теперь же, похоже, Япония планирует выйти в этом проекте первой.
Даже без финансирования на государственном уровне небольшие предприятия вроде Solaren полагают, что космические солнечные станции станут реальностью в ближайшем будущем. Гари Спирнка, генеральный директор Solaren, строил долгую карьеру как в правительственном, так и частном секторе космической инженерии. Он годами наблюдал за тем, как правительство планирует и замораживает проекты таких станций, поэтому больше заинтересован в частном секторе.
Источник
Солнечные батареи на космических кораблях — Solar panels on spacecraft
Космические аппараты, работающие во внутренней части Солнечной системы, обычно используют фотоэлектрические солнечные панели для получения электричества из солнечного света . За пределами орбиты Юпитера солнечное излучение слишком слабое, чтобы производить достаточную мощность в рамках нынешних солнечных технологий и ограничений массы космических аппаратов, поэтому вместо этого в качестве источника энергии используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи).
СОДЕРЖАНИЕ
История
Первым космическим кораблем, в котором использовались солнечные батареи, был спутник Vanguard 1 , запущенный США в 1958 году. Это произошло во многом благодаря влиянию доктора Ханса Циглера , которого можно считать отцом солнечной энергии космических кораблей. Спутник питался от кремниевых солнечных элементов с эффективностью преобразования ≈10%.
Использует
Солнечные панели на космическом корабле обеспечивают питание для двух основных целей:
- Питание для запуска датчиков, активного нагрева, охлаждения и телеметрии.
- Электропитание для силовой установки космического корабля с электроприводом , иногда называемой электрической движительной установкой или солнечно-электрической движительной установкой.
Для обоих применений ключевым показателем качества солнечных панелей является удельная мощность (генерируемые ватты, деленные на массу солнечной батареи ), которая указывает на относительной основе, сколько мощности будет генерировать одна батарея при заданной стартовой массе по сравнению с другой. Другой ключевой показатель — это эффективность упаковки в сложенном состоянии (выработанная мощность в развернутом состоянии, разделенная на сложенный объем), которая показывает, насколько легко массив поместится в ракету-носитель. Еще один ключевой показатель — это стоимость (в долларах за ватт).
Для увеличения удельной мощности типичные солнечные панели на космических кораблях используют плотно упакованные прямоугольники солнечных элементов, которые покрывают почти 100% видимой для Солнца области солнечных панелей, а не круги солнечных пластин, которые, даже будучи плотно упакованными, покрывают около 90% видимой Солнцу площади типичных солнечных панелей на Земле. Однако некоторые солнечные панели на космических кораблях имеют солнечные элементы, которые покрывают только 30% видимой для Солнца области.
Выполнение
Солнечные панели должны иметь большую площадь поверхности, которая может быть направлена к Солнцу при движении космического корабля. Более открытая поверхность означает, что больше электричества может быть преобразовано из световой энергии Солнца. Поскольку космический корабль должен быть небольшим, это ограничивает количество производимой энергии.
Все электрические цепи выделяют отходящее тепло ; Кроме того, солнечные батареи действуют как оптические и тепловые, а также как электрические коллекторы. От их поверхностей должно исходить тепло. Космические корабли большой мощности могут иметь солнечные батареи, которые конкурируют с самой активной полезной нагрузкой за рассеивание тепла. Самая внутренняя панель массивов может быть «пустой», чтобы уменьшить перекрытие видов в пространстве. К таким космическим аппаратам относятся спутники связи с более высокой мощностью (например, TDRS более позднего поколения ) и Venus Express , но не мощные, но более близкие к Солнцу.
Космический корабль построен так, что солнечные панели можно поворачивать во время движения космического корабля. Таким образом, они всегда могут оставаться на прямом пути световых лучей, независимо от того, как направлен космический корабль. Космические корабли обычно проектируются с солнечными панелями, которые всегда можно направить на Солнце, даже когда остальная часть космического корабля движется, так же, как турель танка может быть нацелена независимо от того, куда движется танк. Механизм слежения часто включается в солнечные батареи, чтобы держать их направленными к солнцу.
Иногда операторы спутников целенаправленно ориентируют солнечные панели «не в точку» или не в прямом направлении от Солнца. Это происходит, если батареи полностью заряжены и количество необходимой электроэнергии меньше, чем количество произведенной электроэнергии; смещение также иногда используется на Международной космической станции для уменьшения сопротивления орбиты .
Проблемы ионизирующего излучения и смягчение его последствий
Космос содержит различные уровни электромагнитного излучения, а также ионизирующего излучения. Есть 4 источника излучения: радиационные пояса Земли (также называемые поясами Ван Аллена), галактические космические лучи (ГКЛ), солнечный ветер и солнечные вспышки . Пояса Ван Аллена и солнечный ветер содержат в основном протоны и электроны, в то время как GCR — это в основном протоны очень высоких энергий, альфа-частицы и более тяжелые ионы. Солнечные панели со временем будут испытывать снижение эффективности в результате этих типов излучения, но скорость ухудшения будет сильно зависеть от технологии солнечных элементов и от местоположения космического корабля. С панельными покрытиями из боросиликатного стекла потеря эффективности может составлять от 5 до 10% в год. Другие стеклянные покрытия, такие как плавленый кварц и свинцовые стекла, могут снизить эту потерю эффективности до менее 1% в год. Скорость разложения зависит от спектра дифференциального потока и общей ионизирующей дозы.
Типы обычно используемых солнечных элементов
Вплоть до начала 1990-х годов в солнечных батареях, используемых в космосе, в основном использовались солнечные элементы из кристаллического кремния . С начала 1990-х годов солнечные элементы на основе арсенида галлия стали более предпочтительными по сравнению с кремнием, потому что они имеют более высокий КПД и разлагаются медленнее, чем кремний, в среде космического излучения. Самые эффективные солнечные элементы, производимые в настоящее время, — это многопереходные фотоэлектрические элементы . В них используется комбинация нескольких слоев фосфида индия-галлия, арсенида галлия и германия для получения большего количества энергии из солнечного спектра. Передовые многопереходные элементы способны превышать 39,2% при неконцентрированном освещении AM1,5G и 47,1% при концентрированном освещении AM1,5G.
Космические аппараты, использовавшие солнечную энергию
На сегодняшний день солнечная энергия, кроме двигательной, применима для космических аппаратов, работающих не дальше от Солнца, чем орбита Юпитера . Например, Juno , Magellan , Mars Global Surveyor и Mars Observer использовали солнечную энергию, как и орбитальный космический телескоп Хаббла . Rosetta космический зонд , запущенный 2 марта 2004, использовал свои 64 квадратных метров (690 кв.м) , солнечных панелей, насколько орбиты Юпитера (5,25 а.е. ); ранее самым дальним использованием был космический корабль » Звездная пыль» на высоте 2 астрономических единиц. Солнечная энергия для движения также использовалась в европейской лунной миссии SMART-1 с двигателем на эффекте Холла .
Миссия Juno , запущенная в 2011 году, является первой миссией к Юпитеру (прибыла к Юпитеру 4 июля 2016 года) с использованием солнечных батарей вместо традиционных РИТЭГов, которые использовались в предыдущих миссиях за пределами Солнечной системы, что делает его самым дальним космическим кораблем для использования. солнечные панели на сегодняшний день. Он имеет 72 квадратных метра (780 квадратных футов) панелей.
Еще один интересный космический аппарат — Dawn, который вышел на орбиту около 4 Весты в 2011 году. Он использовал ионные двигатели, чтобы добраться до Цереры .
Возможности космических аппаратов на солнечных батареях за пределами Юпитера были изучены.
Международная космическая станция также использует солнечные батареи для питания всего на станции. 262 400 солнечных элементов покрывают около 27 000 квадратных футов (2 500 м 2 ) пространства. Четыре комплекта солнечных батарей питают станцию, а четвертый комплект батарей был установлен в марте 2009 года. Эти солнечные батареи могут вырабатывать 240 киловатт электроэнергии. Это составляет 120 киловатт средней мощности системы, включая 50% времени нахождения МКС в тени Земли.
Будущее использование
Для будущих миссий желательно уменьшить массу солнечных батарей и увеличить мощность, вырабатываемую на единицу площади. Это уменьшит общую массу космического корабля и может сделать работу космических кораблей на солнечной энергии возможной на больших расстояниях от Солнца. Масса солнечной батареи может быть уменьшена с помощью тонкопленочных фотоэлементов, гибких подложек и композитных опорных структур. Эффективность солнечной батареи можно повысить за счет использования новых материалов фотоэлектрических элементов и солнечных концентраторов, которые усиливают падающий солнечный свет. Фотовольтаические солнечные батареи-концентраторы для основного питания космических кораблей — это устройства, которые усиливают солнечный свет на фотовольтаике. В этой конструкции используется плоская линза, называемая линзой Френеля , которая захватывает большую площадь солнечного света и концентрирует его на меньшем участке, позволяя использовать меньшую площадь солнечного элемента.
Солнечные концентраторы помещают по одной из этих линз на каждый солнечный элемент. Это фокусирует свет из большой области концентратора в меньшую область ячейки. Это позволяет уменьшить количество дорогих солнечных элементов за счет концентрации. Концентраторы работают лучше всего, когда есть единственный источник света и концентратор может быть направлен прямо на него. Это идеально подходит для космоса, где Солнце — единственный источник света. Солнечные элементы — самая дорогая часть солнечных батарей, а массивы часто — очень дорогая часть космического корабля. Эта технология может позволить значительно снизить затраты за счет использования меньшего количества материала.
Галерея
Авангард 1 , первый спутник на солнечной энергии
Источник