Проблемы и перспективы солнечной космической электростанции (СКЭС)

Гурин Александр ученик 10 класса МКОУ СОШ №104Руководитель: Колегова И.В. учитель физикиг. Железногорск 2013

п. Подгорный

Цель:

Исследовать метод получения электричества из энергии Солнца с помощью космической электростанции.

Задачи: Изучить схему принципа передачи и приема энергии с

космической электростанции на Землю Исследовать и рассчитать характеристики, определяющие

энергию, поступающую с орбиты, площадь луча на Земле и поверхности антенн.

Исследовать характеристики повышающие КПД СКЭС. Выяснить влияние СВЧ излучения на окружающую среду Исследовать перспективы и экономическую

целесообразность СКЭС

Методы исследования: • Метод сбора информации• Метод расчётов и проектирования• Метод сравнения • Метод классификации.Объект исследования: • Солнечная космическая электростанция.

Предмет исследования: • Способ передачи электроэнергии

СКЭС включает:

Силовую раму Систему сбора солнечной

энергии Систему преобразования и

передачи электроэнергии от солнечных батарей к передающей антенне

Систему формирования и передачи СВЧ луча

Систему управлением ориентацией и стабилизацией

Систему связи электростанции с наземными службами

Ректенну

Геостационарная орбита

Радиус 36000 км. Угол СКЭС 23,5° к эклиптики. Освещение 24 часа.Эффективность использования солнечных батарей на геостационарной орбите в 7,5-15 раз выше, чем на поверхности Земли.

Поверхность Земли

Геостационарная орбита

Относительные значения

(Земля/орбита)

Интенсивность солнечной радиации, кВт/м2

1,1 1,4 4/5

Среднее время, в течение которого может быть использована радиация, час

8 24 1/3

Процент безоблачного неба

50 100 1/2

Косинус угла падения 0.5 (1) 1 1/2 (1)

Результирующее значение 1/15(1/7,5)

Устройство солнечных батарей 1) Плотность солнечного излучения на геостационарной орбите:Ec=σTc4(Rc/ Lc)2

Ec=1,4 кВт

2) Предельный теоретический коэффициент

использования солнечной энергии:ηс.п = 1-4Tо/3Tc

ηс.п=0,94

3) Площадь солнечных батарей, воспринимающих солнечное

излучение: Sе=Nизл(300Ecηсп)-1

Sе=2,4км2

Усеченная пирамида1 - линза Френеля (большее основание);2 - солнечное излучение (прямой поток); 3 - фокус (фотоэлектрическая панель – меньшее основание).

Многослойный фотоэлемент; Макс. КПД=87%;Основа - сплав InAlAsSb.

1. Центральный силовой элемент, 2. Две секции, 3. Однотипные усеченные

пирамиды:большее основание - линза Френеля;

меньшее основание - единичный солнечный элемент

4. Система развертывания и блока управления солнечными батареями.

Устройство солнечных батарей

1 - Земля;2 - круговая геоцентрическая орбита КА;3 - корпус космического аппарата;4 - панели солнечной батареи;5 - излучение от Солнца;6 - ориентир на поверхности Земли;7 - теневой участок орбиты;

Система ориентации солнечных батарей

4) Мощность на входе приемной антенны:

P(пр)=PGG(пр)λ2/(4πR)2

P(пр)=73,4 МВт

5) Площадь луча: S=πA2

A=2Rtan(ΔΘ/2)ΔΘ=√(32000/G)π/180S=3,9км2

6) Эффективная поверхность приемной антенны

A(пр)=G(пр)λ2/4π A(пр)=12 км2

7) Эффективная поверхность передающей антенны

A=Gλ2/4π A=0,12 км2

8) Плотность потока мощностиJ=PG/4πR2 J=6,1 Вт/м2 (соответствует ГОСТу)

Исследование СВЧ канала

передачи мощности

Частота передачи сигнала 2,45 ГГц. Длина волны 12,25 см.

Не создаст помехи другим радиологическим системам,

Оптимальна с точки зрения минимума потерь энергии и эффективной площади антенн,

При наиболее неблагоприятных атмосферных условиях потери мощности излучения не превышают 5-10%.

Для получения высокого КПД передающей системы необходимо:-Минимизировать потери энергии в излучающих элементах антенной решетки,-Обеспечить оптимальное распределение плотностиизлучаемой мощности по ее поверхности,-Точное управление фазой множество СВЧ – приборов.

Достоинства СКЭС СКЭС использует неистощимую (возобновляемую) энергию Солнца. Не расходуются ограниченные по размерам и ценные для технологических

процессов будущего природные ресурсы Земли (уголь, нефть, газ и др.). СКЭС обеспечивает минимальные тепловые затраты Отсутствует какие-либо иные выбросы, загрязняющие атмосферу. Высокая степень безопасности для населения Земли. Не зависит от времени суток.

Проблемы и недостатки СКЭС Строительство и транспортировка. Влияние нагрева и других возмущений ионосферы, обусловленных

действием продуктов сгорания двигателей и СВЧ-излучения, на прохождение радиосигнала

Создание антенн с высоким коэффициентом усиления Воздействие метеоритов на солнечные панели

1. Экономичность преобразования солнечной энергии, определяемой технологией производства и сборки их элементов,

2. Цена используемых материалов,3. Стоимость доставки всей системы на геостационарную орбиту, Распределение цены1 ГВт, КПД 80%, Срок службы 30 лет• Стоимость оборудования 11 млрд. дол.• Стоимость запуска 13 млрд. дол.• Другие расходы 4 млрд. дол.• Приблизительная стоимость 1-гигаваттной станции с учетом стоимости

запуска составляет $28 миллиарда. Целевая цена 0, 21 $/кВ• Окупаемость произойдет через 3-4 года.

Экономическая целесообразность проекта

Выводы

СКЭС – одна из наиболее перспективных, экологически чистых энергосистем будущего, которая не только базируется на широкомасштабном использовании самых современных технологий, но и будет эффективно стимулировать их развитие в дальнейшем. 

Для передачи СВЧ - энергии нужно использовать геостационарную орбиту.

Усовершенствовать антенны, увеличив коэффициент усиления для повышения КПД.

Плотность мощности энергии соответствует ГОСТу, что свидетельствует о безопасности окружающей среды.

Считаю, что наша страна является одной из лидирующей в освоении космического пространства, и поэтому ей следует заняться решением этого вопроса.