Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Космическая энергетика

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет технологический

Кафедра прикладной экологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Производство альтернативных источников энергии»

на тему: «Космическая энергетика»

Выполнил: студент гр.БОС-11-01 Л.И.Салимова

Проверил: доцент кафедры ПЭ Л.А.Насырова

УФА 2012

Содержание

Введение 3

1 Развитие космической энергетики 4

1.1 Хронология развития космической энергетики 4

1.2 Космическая энергетика-энергетика будущего 6

1.3 Развитие в России 9

2 Технологии применяющиеся в космической энергетике 14

2.1 Беспроводная передача энергии на Землю 14

2.2 Преобразование солнечной энергии в электрическую 15

2.3 Получение энергии от СВЧ волн испускаемых спутником 15

2.4 Лунный пояс 16

2.5 Преимущества и недостатки солнечной энергии на Земле против 17 космической

Заключение 18

Список использованных источников 19

Введение

Современная цивилизация пока не умеет эффективно получать и преобразовывать энергию. Несовершенство технологий и техники приводит к прогрессирующему загрязнению всех сфер окружающей среды и к приближению глобальной экологической катастрофы. Наибольший экологический урон планете наносят энергетика и транспорт, в частности, космонавтика. Топлива на планете ограниченное количества, но его требуется для выработки требуемой энергии все больше. Вследствие низкой эффективности энергетики и транспорта возрастает и объем отравляющих токсичных веществ.

Выход из энергетического и экологического тупика состоит в поиске и создании новой экологически чистой энергетики и качественно новых чистых безотходных технологий получения и преобразования энергии. Лучший учитель для цивилизации - сама Природа, точнее, ее экологическое и энергетическое совершенство. По сути, человечество постоянно учится у Природы, потому что она совершенна. Сначала учились добывать огонь, а вот теперь учимся добывать чистую энергию и электричество. Так будет всегда. И чем более глубоко познается Природа планеты, тем больше возможностей открывается для создания более совершенных экологически чистых источников энергии, в частности, для космонавтики и не только для нее.

Таким образом, главной целью данной работы является ознакомление и изучение космической энергетики и ее развитие, в связи с чем можно выделить основные задачи:

Рассмотреть КЭС с экономической и экологической стороны;
Изучить возможные технологии;
Сделать вывод по проделанной работе.

1 Развитие космической энергетики

1.1 Хронология развития космической энергетики

1968: Питер Глейзер представил идею больших солнечных спутниковых систем с солнечным коллектором размером в квадратную милю на высоте геостационарной орбиты (ГСО 36000 км над экватором), для сбора и преобразования энергии солнца в электромагнитный пучок СВЧ для передачи полезной энергии на большие антенны на Земле.

1970: Министерство энергетики США и NASA рассмотрело проектирование и технико-экономических обоснование спутника Solar Power Satellite (SPS).

1973: Питер Глейзер получил патент США номер 3781647 за его метод передачи мощности на большие расстояния (например, от спутника на поверхность Земли) с помощью микроволн от больших антенн на спутнике на ректенны на Земле.

1994: ВВС США проводят эксперимент с использованием расширенных Фотоэлектрических спутников запущенных на низкую орбиту Земли с помощью ракеты.

1995-1997: NASA провело исследование космической солнечной энергии, её концепции и технологий.

1998: Космическое агентство Японии начинает программу развития космической солнечной электрической системы, которая продолжается и по сей день.

1999: Началась программа NASA космическая солнечная энергия.

2000: Джон Манкинс NASA дал показания в палате представителей США, говоря: "Крупномасштабное солнечная спутниковая система является очень сложной интегрированной системой и требует многочисленных значительных достижений в области современных технологий. Был разработан технологический план, в котором определен алгоритм разработки всех необходимых технологий — в течение нескольких десятилетий.

2001: Космическое агентство Японии объявило о планах провести дополнительные исследования и запуск экспериментального спутника с 10

киловатт и 1 МВт мощности.

2009: Японское агентство аэрокосмических исследований объявило о своих планах вывести на орбиту спутник солнечной энергии, которые будут передавать энергию на Землю с помощью микроволн. Они надеются вывести первый прототип орбитального спутника к 2030 году.

2009: Компания Solaren расположенная в Калифорнии (США) подписала договор с компанией PG&E о том, что последняя будет покупать энергию которую Solaren произведет в космосе. Мощность будет составлять 200 мегаватт. По плану этой энергией будут питаться 250 000 домов. Реализация проекта планируется на 2016 год.

2010: Компания Shimizu опубликовала статью в которой рассказывается о возможностях создание гигантской лунной энергетической станции на существующих сегодня технологиях.[4]

1.2 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.[3]

Рисунок 1 - энергетический спутник

Конечно, при практической реализации этой системы в жизнь возникает целый ряд проблем. Первая проблема связана с габаритными размерами антенны, передающей энергию на поверхность Земли. Исследователи просчитали, что при передаче энергии микроволнами с частотой 2.45 ГГц диаметр передающей антенны будет близок к одному километру. При этом диаметр принимающей энергию области на поверхности Земли должен составлять не менее 10 километров.

Рисунок 2 – схема передающей антенны

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.[3] 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.[3]

1.3 Развитие в России

В недалеком будущем на развитие цивилизации будет влиять ряд новых факторов, которые ранее не обнаруживали себя в явной форме и которые имеют внутренние и внешние причины.

К внутренним причинам относятся: рост численности населения Земли, которое согласно научным прогнозам может достигнуть к конц XXI века 12 млрд человек и приблизиться к предельному значению (15…20 млрд человек). Энергопотребление современной цивилизации постоянно увеличивается. Это касается всех сторон жизни человечества: промышленности, транспорта, сельского хозяйства, обеспечения все более разнообразных потребностей людей; бурное экстенсивное развитие энергетики, базирующейся в основном на углеродном и углеводородном топливе (нефть, газ), и, в особенности, опережающее развитие наземного транспорта приводят к изменению климата. В настоящее время энергопотребление по первичным источникам энергии (уголь, нефть, газ, атомная энергия, гидроэнергетика) составляет 16 ТВт. Если использовать существующие технологии, то при темпах роста 1,5 % в год через 100 лет может приблизиться к 100 ТВт - предельному экологическому значению, которое может выдержать биосфера планеты.

К внешним причинам относятся: регулярное падение на Землю крупных метеоритных и кометных фрагментов. Фрагменты типа "Тунгусский метеорит" (диаметром около 100 м и массой примерно 233 тыс. тонн) падают на Землю с периодичностью один раз в 100 лет. Такая катастрофа создает на площади 60 х 60 км поражающий эффект, аналогичный взрыву боеприпаса с тротиловым эквивалентом 15 Мт (атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, имела тротиловый эквивалент 0,02 Мт). Космическое тело, угодившее не так давно в Юпитер, вызвало взрыв, объем облака которого сравним с объемом нашей планеты. "Космическая опасность" - угроза абсолютно реальная и вовсе не исчерпывается опасностью, генерируемой одними странами Земли в отношении других через околоземное космическое пространство.[1] Периодичность изменения положения магнитных полюсов Земли каждые 200 тыс. лет. По прогнозам ученых ближайшая перемена мест Северного и Южного магнитных полюсов произойдет примерно через 2000 лет. Магнитное поле Земли на какой-то период времени исчезнет, и Земля лишится магнитной защиты от ионизирующей радиации, которая обусловлена солнечными вспышками и галактическим излучением. Защита цивилизации от такого катаклизма потребует некоего технического решения, проработкой которого целесообразно заняться уже сегодня.

Всю совокупность сформулированных выше проблем объединяет тот факт, что для их решения человечество нуждается в альтернативных источниках энергии, существенно отличающихся от используемых в настоящее время.

Поиски экологически чистой энергетики приводят к пониманию необходимости переноса производства наиболее энергоемких и экологически опасных материалов, и в том числе выработки электроэнергии, в космос с дистанционной передачей ее на Землю. О такой перспективе говорил еще в 1928 г. Константин Эдуардович Циолковский в работе "Будущее Земли и человечества": "Солнечная энергия - главное, только мы не умеем ею пользоваться…Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом".[1]

Разрабатываемая в России концепция глобальной космической системы производства энергии опирается на следующие принципы: глобальное, региональное, местное энергообеспечение является общепланетной социально-политической проблемой; управление экологической безопасностью должно осуществляться на основе космического мониторинга с использованием "зеленых" тарифов за энергию, которые должны учитывать социальную значимость энергоносителя; государства должны наладить поддержку развития возобновляемых источников энергии (гидротехника, солнечные и ветровые генераторы, приливные морские электростанции) с оптимизацией регионального и местного состава таких источников энергии; долю электроэнергии, производимой на атомных станциях, необходимо оптимизировать; следует определить оптимальное сочетание энергетики наземного и космического базирования; для выработки, аккумулирования, передачи энергии и устранения негативных последствий роста энергообеспечения населения следует использовать авиационно-космические технологии (как наиболее развитые).

Система освещения с орбиты приполярных городов Земли полярной ночью была рассмотрена в Техническом предложении, разработанном в 1992 г. Центром Келдыша и РКК "Энергия" им. Королева. Ее предлагалось использовать для освещения Норильска, а также других городов в период с ноября по февраль, начиная с 8 часов утра до 16 часов местного времени.

Освещение производится отраженным солнечным светом с помощью плоского тонкопленочного рефлектора, вращающегося на околоземной орбите. Эффективность метода обусловлена многими факторами, и в первую очередь благотворным психологическим воздействием на население при организации солнечного освещения полярной ночью. Освещение орбитальным источником отличается гораздо большей экологической чистотой по сравнению с электрическим освещением, так как последнее полезно использует примерно 1 % энергии (в основном углеводородного топлива).

Указанный метод освещения целесообразно применять и для определенных районов моря. В результате возрастут рыбные запасы. Благодаря дополнительной подсветке может быть достигнуто существенное повышение продуктивности сельских хозяйств в северных широтах.

На втором этапе развития системы космического энергоснабжения предполагается организовать на орбите преобразование энергии светового излучения Солнца в СВЧ-энергию, которая затем по узконаправленному лучу "сбрасывается" на Землю. Этот способ передачи энергии сопряжен с определенной экологической опасностью.[1] Избежать ее можно, если СВЧ-излучение с длиной волны 0,5 см передавать с помощью параболической антенны на приемную антенну (ректенну), расположенную на высоте 10 км на привязном аэростате. СВЧ-излучение с указанной длиной волны беспрепятственно проходит через верхние слои атмосферы, но на высотах менее 10 км оно резонансно поглощается молекулами кислорода.

К концу XXI века реально создать космический сегмент энергетики суммарной принимаемой мощностью на Земле на уровне 4 ТВт. Это составит 8 % от всех мощностей по первичным энергоносителям с учетом внедрения в наземную энергетику новых технологий. Реальность проекта зависит от трех факторов: числа оборудованных космодромов; численности и эффективности ракет-носителей; оптимальной модульности космической электростанции.

В настоящее время на Земле действует 22 космодрома. Реально рассчитывать, что к 2030 г., когда начнется развертывание космического сегмента энергетики, их станет 24.

В отношении флота ракет-носителей следует отметить, что разрабатываемые в настоящее время технологии позволят создать к 2015-2020 гг. двухступенчатую ракету-носитель РН-35. Она будет иметь первую ступень многократного использования и грузоподъемность 35 т. Стоимость выведения килограмма грузов таким носителем составит примерно $1000, а надежность ракеты-носителя должна быть доведена до 0,9995. К 2030 г. на ее основе планируется создать ракету-носитель РН-70 грузоподъемностью 70 т (стоимость 1 кг - $300…500). Применение ракет позволит выводить на опорную орбиту космическую электростанцию с суммарной электрической мощностью солнечных батарей 15 МВт, созданной на основе модуля мощностью 6 МВт.

Учитывая, что для подготовки повторного старта ракеты-носителя многократного применения потребуется около одной недели, получается, что одна стартовая позиция может обеспечить 52 пуска в год. Если разместить на космодроме пять стартовых позиций, то каждый космодром должен иметь, как минимум, пять ракет-носителей типа РН-70.[1] Таким образом, к концу XXI века мировой флот ракет-носителей многократного применения должен иметь примерно 120 ракет-носителей типа РН-70, что представляется реальным. Для сравнения: мировой парк самолетов Boeing 747 со стартовой массой 320…378 т насчитывает около 1000 машин.

Даже с преодолением сложнейших задач, все равно остаются две проблемы, решение которых можно искать только совместными усилиями промышленно развитых стран.

Первая проблема связана с заметной экологической нагрузкой на биосферу, создаваемой примерно 6000 пусками ракет-носителей в год. Ее следует сопоставлять с экологической опасностью, порождаемой традиционными технологиями в энергетике и на транспорте.

Вторая проблема связана с необходимостью расширения списка стран, использующих современные космические технологии, при осуществлении непрерывного приема и транспортировки переданной из космоса энергии.

Применение новой техники в глобальном масштабе невозможно без согласованной деятельности науки и промышленности различных стран.[1]

2 Технологии применяющиеся в космической энергетике

2.1 Беспроводная передача энергии на Землю

Беспроводная передача электроэнергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или Лунной станции к Земле. Энергия может быть передана с помощью лазерного излучения или СВЧ на различных частотах в зависимости от конструкции системы. Какой выбор был сделан, чтобы передача излучения была не ионизирующей, во избежание возможных нарушений экологии или биологической системы региона получения энергии? Верхний предел для частоты излучения установлен таким, чтобы энергия на один фотон не вызывала ионизацию организмов при прохождении через них. Ионизация биологических материалов начинается только с ультрафиолетового излучения и, как следствие, проявляется при более высоких частотах, поэтому большое количество радиочастот будет доступно для передачи энергии.[2]

Лазеры

Исследователи НАСА работали в 1980-х годах с возможностью использования лазеров для излучения энергии между двумя точками в пространстве. В перспективе эта технология станет альтернативным способом передачи энергии в космической энергетике. В 1991 году начался проект SELENE, который предполагал создание лазеров для космической энергетики, в том числе и для изучение энергии лазерером на лунные базы.В 1988 Грант Логан предложили использовать лазер размещенный на Земле, чтобы обеспечить энергией космические станции, предположительно это можно было осуществить в 1989. Предлагалось использование солнечных элементов из алмаза при температуре 300°C для преобразования ультрафиолетового лазерного излучения. Проект SELENE продолжал работать над этой концепцией, пока не был официально закрыт в 1993 после двух лет исследований, так и не осуществив тестирования технологии на большие расстояния. Причина закрытия: высокая стоимость осуществления.

2.2 Преобразование солнечной энергии в электрическую

В космической энергетике (в существующих станциях и при разработках космических электростанций) единственный способ эффективного получения энергии это использование фотоэлементов. Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43

2.3 Получение энергии от СВЧ волн испускаемых спутником

Так же важно почеркнуть способы получения энергии. Один из них это получение энергии с помощью ректенн. Ректенна (выпрямляющая антенна) — устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока. Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью (например, диод). В таком варианте конструкции антенна совмещается с детектором, на выходе которого, при наличии падающей волны, появляется ЭДС. Для повышения усиления такие устройства могут быть объединены в многоэлементные решётки.[2]

2.4 Лунный пояс

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

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

Энергия с этого пояса будет передаваться радиоволнами с помощью громадных 20 километровых антенн и приниматься ректеннами здесь на земле. Второй способ передачи который может использоваться это передача световым лучом с помощью лазеров и прием свето-уловителем на земле

Преимущества системы

Так как на Луне нет атмосферы и погодных явлений, энергию можно будет вырабатывать почти круглосуточно и с большим коэффициентом эффективности.

Дэвид Крисуэлл предположил, что Луна является оптимальным местом для солнечных электростанций. Основное преимущество размещения солнечных коллекторов энергии на Луне в том, что большая часть солнечных батарей может быть построена из местных материалов, вместо земных ресурсов, что значительно снижает массу и, следовательно, расходы по сравнению с другими вариантами космических солнечных электростанций.

Недостатки системы:

Слишком высокая стоимость проекта.
Отсутствие даже экспериментальных установок.[2]

2.5 Преимущества и недостатки солнечной энергии на Земле против космической

Космическая солнечная энергия — энергия, которую получают за пределами атмосферы Земли. При отсутствии загазованности атмосферы или облаков, на Землю падает примерно 35 % энергии от той, которая попала в атмосферу. Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96 % времени. Таким образом, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли (на высоте 36000 км) будет получать в среднем в восемь раз больше света, чем панели на поверхности Земли и даже больше когда космический аппарат будет ближе к Солнцу чем Земля. Дополнительным преимуществом является тот факт, что в космосе нет проблемы с весом или коррозии металлов из-за отсутствия атмосферы. С другой стороны, главный недостаток Космической энергетики и по сей день является её высокая стоимость. Другим недостатком является тот факт, что при передаче энергии на поверхность Земли будет потеря, по крайней мере 40-50 %.[2]

Заключение

энергетика экономика

Подводя итог данной работы можно сделать вывод о том, что сфера энергетики требует высокого контроля со стороны государства и выделения больших финансовых средств на развитие новых альтернативных видов энергии.

Текущее состояние дел в энергетической отрасли нельзя назвать благополучным. Наработки и достижения прошлых лет теряют свою актуальность и изнашиваются. Необходимо срочно принимать меры по разработке и строительству новых источников энергии.

Сфера энергетики обладает огромным потенциалом повышения энергоэффективности. Вот почему в XXI веке инновации в энергетике превращаются во всеобщий, мировой тренд. Сегодня каждому государству приходится искать наиболее рентабельные и эффективные пути развития, зачастую — идти на компромисс между энергоэффективностью и экономической целесообразностью. Каждый случай имеет свою специфику, зависящую от множества факторов. Несомненно, одно: в ближайшие десятилетия энергетика мира изменится до неузнаваемости.

Список использованных источников

1.Дудышев В.Д. "Новая космическая энергетика" - Доклад на 4 международном конгрессе "Экология и окружающая среда" Россия, Самара- Астрахань, 2000 г.

2. Википедия - свободная энциклопедия.- космическая энергетика [Электронный ресурс]: http://ru.wikipedia.org/wiki/Космическая_энергетика

3. Проект освоения космоса.- новая бестопливная космическая энергетика

[Электронный ресурс]: http://kuasar.narod.ru/library/new-space-energy/index.htm

4. Семенов В.А.Перспективы космического энергоснабжения Земли/В.А.Семенов//Исследовательский Центра им. М.В. Келдыша.-2007.-с23-25.