Орбитальные солнечные электростанции

[Димитър]

https://ntv.ifmo.ru/file/article/9368.pdf

Остановимся на работах ГОИ им. С.И. Вавилова по применению лазеров в солнечной энергетике [26]. Идея получения электроэнергии за счет солнечного излучения и передачи ее по лучу лазера особенно привлекательна при создании электростанции космического базирования на геостационарных спутниках, поскольку она лишена недостатков традиционных солнечных электростанций: энергия доступна практически круглосуточно, не зависит от погодных условий, может быть передана практически в любой район поверхности Земли, включая северные территории (рис. 15).

Ученые ГОИ им. С.И. Вавилова выдвинули идею преобразования солнечной энергии с помощью фуллерен-кислород-йодного лазера (ФОИЛ) (Патент Российской Федерации № 2181224 от 20.06.2000 г., авторы – О.Б. Данилов, И.М. Белоусова, А.А. Мак).

Уникальность идеи состоит в использовании фуллерена – нового наноматериала, обладающего широким спектром поглощения в ультрафиолетовой и видимой области спектра. Фуллерен – это открытая в 1985 г. многоатомная молекула, состоящая из атомов углерода. Открытие фуллеренов отмечено Нобелевской премией 1996 г. (Р.Ф. Керл (Rise Univ, USA), Г. Крото (Univ. of Sussex, England), Р. Смолли (Rise Univ, USA)). Наиболее интересен для применения фуллерен C60, состоящий из 60 атомов углерода, расположенных на сферической поверхности в вершинах 20 шестигранников и 12 пятигранников (рис. 16).

Идея преобразования солнечной энергии в лазерное излучение состоит в следующем: солнечное излучение с плотностью потока 1,3 кВт/м2 поглощается молекулами фуллерена, нанесенными на пористую поверхность, через которую проходит молекулярный кислород. Фотовозбужденные молекулы фуллерена передают свою энергию молекулам кислорода, образуя синглетный кислород (эффективность этого процесса составляет 96%). Синглетный кислород в состоянии 1 ∆gO2 передает свою энергию атомам йода, возбуждая их в состояние 52 I * 1/2, с которого затем происходит генерационное излучение при переходе 52 I1/2→52 I3/2 с длиной волны λ=1,315 мкм. В целом квантовая эффективность передачи энергии от возбужденного фуллерена к йоду близка к единице. Учитывая энергетические потери на преобразование поглощенных и излученных квантов, а также коэффициент поглощения фуллеренами излучения Солнца, можно считать, что общий коэффициент преобразования солнечной энергии в лазерное излучение ФОИЛ может достигать 20–30%. Впервые ФОИЛ с оптической накачкой был создан в ГОИ в 2003 г. (группа В.М. Киселева) и является единственным в мире лазером такого типа. В настоящее время ведется работа по исследованию и совершенствованию конструкции ФОИЛ. Выполнен экспериментальный стенд с ФОИЛ с накачкой имитатором солнечного излучения со следующими характеристиками: пиковая мощность 40 кВт, средняя мощность излучения 30 Вт, частота повторения импульсов 30 Гц (рис. 17). Разработана конструкция лазера с разделенными областями накачки и генерации, которая использует проток кислорода через пористую фуллереновую поверхность, – возможный прототип лазера для преобразования солнечной энергии (рис. 18) [27]. Высказаны и теоретически обосновываются новые идеи о преобразовании солнечной энергии с помощью кислород-йодного лазера при условии возможности снятия вырождения с запрещенных переходов кислорода (О.Б. Данилов), что позволит в будущем существенно облегчить конструкцию «солнечного» лазера.

Необходимо отметить, что создание электростанции на космическом объекте для преобразования солнечной энергии в лазерное излучение и доставки его на Землю требует разработки сложнейших оптических и оптоэлектронных систем, систем доставки и монтажа всех этих устройств на геостационарные спутники.
 На рис. 19 представлены в качестве общей иллюстрации состав орбитальной лазерной энергетической системы: � орбитальный фуллерен-кислород-йодный лазер мощностью 1 ГВт, размещаемый на геостационарной орбите высотой около 36 000 км; � зеркальный космический концентратор солнечной энергии пленочного типа суммарной площадью 2,56 м2 (км2 ?) ;  � лазерно-оптическая адаптивная система формирования угловой расходимости до 10–7 рад и сверхточного наведения на Землю (10–8 рад); � энергетическая наземная станция приема и преобразования лазерного луча в электрическую энергию

[Юрий Темников]

Оно конечно;каждый кулик своё болото хвалит.
Ещё вариант:Есть многопереходные фотоэлементы способные работать при концентрации 100 С. У них очень высокий КПД,более 40 %.И они менее подвержены старению.Такая система будет намного легче обычной СКЭС.Но появляется проблема охлаждения ФЭ,которая вроде как значительно усложняет конструкцию и может сьесть выгоду от снижения массы.Выход?
Нужно покрыть  зеркала слоем вещества поглощающим инфракрасный и ближний(?)красный свет.Пусть греются зеркала!Им это никак не повредит.Правда их площадь придётся увеличить Но ведь они дешевле СБ на пару порядков.и на порядок легше.Правда возникает вопрос массы поглощающего слоя,но и он дешевле СБ.

[Дем]

Ещё вариант:Есть многопереходные фотоэлементы способные работать при концентрации 100 С. У них очень высокий КПД,более 40 %.

ИМХО, для СЭС надо смотреть не на отдачу энергии с м², а на отдачу с килограмма массы.
Ибо пространства в космосе дохрена, а вот вещества ограничено. В отличие от Земли.

[Юрий Темников]

Ещё вариант:Есть многопереходные фотоэлементы способные работать при концентрации 100 С. У них очень высокий КПД,более 40 %.

ИМХО, для СЭС надо смотреть не на отдачу энергии с м², а на отдачу с килограмма массы.
Ибо пространства в космосе дохрена, а вот вещества ограничено. В отличие от Земли.

А я об чём толкую? Вместо 100 м\кв СБ , 100 отражателя и1м\кв СБ. Одной разводки в 100 раз меньше будет.

[Дем]

А я об чём толкую? Вместо 100 м\кв СБ , 100 отражателя и1м\кв СБ. Одной разводки в 100 раз меньше будет.

Угу, но зачем тогда полупроводники, а не например термоэмиссия?
Хотя, вакуум, в каком-то смысле тоже полупроводник.

[Димитър]

https://prokosmos.ru/2024/01/23/nasa-podschitalo-stoimost-sozdaniya-elektrostantsii-na-orbite

Космическая солнечная энергетика — это идея получения электроэнергии в космосе с помощью солнечных панелей. Затем энергия будет передаваться с помощью высокочастотных радиоволн на наземные приемники. Последние в свою очередь будут преобразовывать волны обратно в электричество. По оценке Европейского космического агентства (ЕКА), свет от Солнца за пределами атмосферы Земли в 11 раз интенсивнее, поэтому солнечные панели могут обеспечить огромное количество энергии. Причем электрогенерации не помешает плохая погода или заход светила за горизонт.
Если вывести космические аппараты с солнечными панелями на геостационарную орбиту, то они будут способны отслеживать движение Солнца и генерировать электричество в режиме нон-стоп. При наличии доступного финансирования и соответствующей инфраструктуры эти аппараты можно сделать достаточно большими, чтобы они вырабатывали несколько гигаватт (ГВт) энергии, конкурируя с мощностью атомной или угольной электростанции. Однако поднять на орбиту несколько тысяч тонн материала довольно затруднительно. Руководство NASA начало изучать эту идею еще в 1970-х годах, но посчитало ее непомерно дорогой, учитывая запуски шаттлов и подготовку астронавтов.

Впрочем, последние достижения в области автоматизированной сборки космических аппаратов, а также резкое снижение стоимости солнечных панелей и пусков ракет побудили правительства и космические агентства пересмотреть позицию. Так, к примеру, американское управление оценило стоимость электроэнергии в течение жизненного цикла орбитальной электростанции мощностью 2 ГВт в двух конфигурациях.
В первой использовались управляемые зеркала для концентрации света на фотоэлектрических элементах и преобразования энергии в микроволны для передачи на Землю, а во второй — множество «сэндвич-панелей» с солнечными элементами с одной стороны и микроволновым передатчиком — с другой. Если более гибкая зеркальная система сможет излучать энергию в 99% случаев, то использование плоских панелей ограничено 60% из-за необходимости быть обращенными к Солнцу.
В отчете NASA было установлено, что зеркальная конфигурация более экономична. Но даже для этого потребовалось бы поднять на орбиту 5900 тонн и произвести свыше 2300 запусков ракет. Затраты на эти пуски составили бы 71% от общей стоимости в $276 млрд. В этом смысле в агентстве рассчитывают на самую мощную космическую ракетную систему Starship/Super Heavy, которая будет способна выводить на низкую околоземную орбиту до 150 тонн за один полет. Впрочем, пока она совершила лишь два испытательных полета. В ходе третьего запуска в феврале корабль попытается выйти на устойчивую околоземную орбиту с перигеем, лежащим над границей атмосферы.
Тем не менее компании SpaceX, которая занимается разработкой Starship, уже удалось произвести настоящую революцию на рынке космических запусков. Ее частично многоразовая ракета Falcon 9 с момента дебютного полета в 2010 году смогла снизить затраты на пуск с более чем $7 тыс. за килограмм полезной нагрузки до менее $3 тыс. «Как только Starship вступит в строй, все снова изменится», — выразила уверенность Лаура Форчик из консалтинговой компании Astralytical.
Обсудив ситуацию с отраслевыми экспертами, NASA решило остановиться на $1 тыс. за килограмм полезной нагрузки, перевозимой Starship, отметил ведущий автор отчета Эрик Роджерс. При этом советник SpaceX заявил в прошлом году, что компания намерена достичь показателя в $200. В свою очередь ЕКА прогнозировало стоимость запуска в размере от $300 до $500. По оценке NASA, для каждого запуска оборудования на низкую орбиту потребуется еще 12 единиц топлива, чтобы перевести его на геостационарную орбиту — это также отразится на стоимости подобных миссий. Поэтому составители отчета рекомендовали действовать в этом направлении осторожно.
«[В этом отчете] есть предположения, которые просто неверны, а другие невероятно консервативны», — обратил внимание со-генеральный директор Space Solar Мартин Солтау. По его мнению, снижение стоимости запуска, равно как и повышение конкурентоспособности технологии по отношению к наземным возобновляемым источникам энергии, вполне достижимо.
Так, на прошлой неделе исследователи из Калифорнийского технологического института объявили о завершении годовой космической миссии, в ходе которой была протестирована передача энергии с использованием микроволнового луча. В 2025 году исследовательская лаборатория ВВС США и Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) намерены провести похожие испытания, передав излучение микроволновой энергии с аппарата, находящегося на орбите, на Землю.
Не отстает и Space Solar, ранее запросившая у британского правительства $800 млн на запуск комплексного демонстратора мощностью 1 ГВт в рамках своей шестилетней программы. «Космос играет огромную роль в достижении нулевого уровня выбросов. НАСА абсолютно точно должно быть в авангарде этого процесса», — резюмировал Солтау.