Альтернативные источники энергии

Космическая энергетика — вид альтернативной энергетики, предусматривающий использование энергии Солнца для выработки электроэнергии, с расположением энергетической станции на Луне или земной орбите.

История идеи

Изначально идея появилась  в 1970-х годах. Появление такого проекта  было связано с энергетическим кризисом. В связи с этим правительство  США выделило 20 миллионов долларов космическому агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).

После всех расчётов оказалось, что такой спутник вырабатывал  бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на землю оставалось бы 2000 мегаватт. Чтобы понять много это или нет, стоит сравнить эту мощность с Красноярской ГЭС, мощность которой составляет 6000 мегаватт. Но примерная стоимость такого проекта 1 триллион долларов, что и послужило причиной закрытия программы.

Устройство технологии

Космический спутник по сбору  солнечной энергии по существу состоит  из трех частей:

средства сбора солнечной  энергии в космическом пространстве, например, через солнечные батареи  или тепловой двигатель Стирлинга.

средства передачи энергии  на землю, например, через СВЧ или  лазер.

средства получения энергии  на земле, например, через ректенны.

Космический аппарат будет  находиться на ГСО и ему не нужно поддерживать себя против силы тяжести. Он также не нуждается в защите от наземного ветра или погоды, но будет иметь дело с космическими опасностями, такими как микрометеориты и солнечные бури.

Актуальность в наши дни

Так как за 40 лет со времени  появления идеи солнечные батареи  сильно упали в цене и увеличились  в производительности, а грузы  на орбиту стало доставлять дешевле, в 2007 году «Национальное космическое  общество» США представило доклад в котором говорит о перспективах развития космической энергетики в наши дни.

Преимущества системы

Высокая эффективность из-за того, что нет атмосферы, выработка  энергии не зависит от погоды и  времени года.

Практически полное отсутствие перерывов так как на геостационарной орбите спутник будет освещен солнцем 24 часа в сутки.

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 %.

Основные технологические проблемы

По данным американских исследований 2008 года, есть четыре основные технологические  проблемы, которые наука должна преодолеть, чтобы космическая энергия стала  легкодоступной:^[15]

Фотоэлектрические и электронные  компоненты должны работать с высокой  эффективностью при высокой температуре.

Беспроводная передача энергии  должна быть точной и безопасной.

Космические электростанции должны быть недорогими в производстве.

Низкая стоимость космических  ракет-носителей.

Поддержание постоянного  положения станции над приёмником энергии: давление солнечного света будет отталкивать станцию от нужного положения, а давление электромагнитного излучения, направленного на Землю, будет толкать станцию от Земли.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Солнечная энергетика 

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечногоизлучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Земные условия

Карта солнечного излучения — Европа

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную  перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка энергии  уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Способы получения электричества  и тепла из солнечного излучения:

фотовольтаика — получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP - Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч солнца. Этот луч солнца используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости, которая расходуется для электрогенерации по аналогии с обычными ТЭЦ или накапливается для сохранения энергии^[3]. Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью тепловых машин:

паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

двигатель Стирлинга;

термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).

солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона  аэростата за счет нагрева солнечным  излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Достоинства и недостатки

Достоинства

Общедоступность и неисчерпаемость  источника.

Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо(характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки

Зависимость от погоды и времени  суток.

Как следствие необходимость аккумуляции энергии.

При промышленном производстве -- необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.

Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и  теллур).

Необходимость периодической  очистки отражающей поверхности  от пыли.

Нагрев атмосферы над  электростанцией.

Типы фотоэлектрических элементов

В настоящее время принято  различать три поколения ФЭП

Кристаллические (первое поколение):

монокристаллические кремниевые;

поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;

технологии выращивания  тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).

Тонкоплёночные (второе поколение):

кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);

на основе теллурида кадмия (CdTe);

на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);

ФЭП третьего поколения:

фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitized solar cell, DSC);

органические (полимерные) ФЭП (OPV);

неорганические ФЭП (CTZSS);

ФЭП на основе каскадных структур.

Список литературы