Орбитальные солнечные электростанции

[Shestoper]

pkl пишет:
Ну так что, как насчёт моей идеи суперлёгких СКЭС из плёнок и композитов?

Из пленок они будут в любом случае.
Основную долю площади СКЭС будут занимать пленочные концентрирующие зеркала - а в фокусе теплообменники турбин или СБ.
Стоимость конструкционного углепластика сейчас около 40 долларов/кг - это сравнимо с ценой выведения кг даже пусковой петлей. Так что применение композитов для опорных конструкций экономически возможно.
Но даже в этом случае удельная масса СКЭС вряд ли снизится ниже 2-3 кг/кВт (кстати это сравнимо с приличным ДВС).

Вот несколько проектов с массовыми сводками (проекты древние, поэтому параметры СБ низкие): http://engineeringsystems.ru/solnichniye-kosmicheskiye-energostancii/teploviye-skes.php
http://engineeringsystems.ru/solnichniye-kosmicheskiye-energostancii/fotoelektricheskiye-skes.php

[Shestoper]

Вот по этой ссылке, которую я уже приводил, стоимость строительства наземного солнечного кВт более 3000 $ - это для фотоэлектрических электростанций 5-10 лет назад.
Эти данные хорошо согласуются с Викой: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
Но стоимость строительства солнечного коллектора значительно ниже - всего 1150 $/кВт, что даже ниже, чем для некоторых типов ТЭС.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80
Почему же коллекторы ещё не вытеснили ТЭС? Потому, что даже в Калифорнии их среднегодовая мощность составляет всего около 20-25% максимальной.
А вот на орбите они будут постоянно работать на полную мощность.
Конечно. на орбите понадобится система передачи энергии на Землю. Но зато не нужны будут приводы для наведения каждого плоского зеркала на нагреватель (из-за суточного движения Солнца по земному небу) - наведение будет осуществляться ориентацией всей станции. Не нужны будут тепловые аккумуляторы для парирования суточных колебаний освещенности.
Если принять удельную мощность станции 0,2 кВт/кг, а стоимость выведения на ГСО 100 долларов /кг - то можно рассчитывать уложить цену космического кВт в 2-2,5 тысячи долларов.
Выводить грузы так дешево на ГСО будет возможно, если построить пусковую петлю с прямым разгоном на ГСО (с добром на ЖРД не более нескольких сотен м/c на маневрирование) при уровне грузопотока порядка 100 тысяч тонн в год и выше (то есть при темпе ввода в строй генерирующих мощностей 10-20 ГВт в год и более).

[Shestoper]

А вот про возможности орбитальных зеркал, напрямую отражающих Землю солнечным светом:
http://boshsoz.com/nauka/17745-iskusstvennoe-solncze
Находящееся на ГСО зеркало диаметром 450 км сможет освещать на Земле круг диаметром 3300 км.
При непрерывном освещении туда будет подаваться энергия на уровне около 8% годового солнечного освещения (днем уровень освещения примерно в 50 раз ниже солнечного, зато освещение круглосуточное).
В реальном эксперименте зеркало диаметром 20 метров с высоты 200 км дало зайчик диаметром 5 км - с ГСО зайчик такого зеркала будет диаметром 900 км.

Так что для энергетики, для освещения наземных электростанций, такая схема плохо подходит из-за расходимости луча. Годится только для освещения по ночам.
Чтобы плотность потока энергии была сравнима с естественной, нужно направить в одну точку минимум десяток громадных (диаметром сотни км) зеркал на ГСО. Причем освещать они будут область в несколько миллионов км2. И всю эту область, площадью 1-2 % от площади Земли, придется покрыть приемными электростанциями. А выработка энергии на них составит около 5% энергии, получаемой Землей от Солнца (в 50 раз больше всей современной энергетики человечества).
Такой проект неизбежно будет влиять на климат планеты. 

[Shestoper]

А вот про современную стоимость СБ: реклама малой бытовой электростанции со стоимостью кВт 2500 долларов http://ecoforce.by/solnechnyie-batarei/
Это вполне сопоставимо со стоимостью ГЭС из этого источника: http://portal.tpu.ru/SHARED/m/MATVEEV/education/TiAES/Tab2/Lecture03.pdf
ГЭС и СКЭС могут быть рентабельны даже при более высокой цене строителтьства, чем ТЭС и АЭС, поскольку их топливо абсолютно бесплатно.

Но в условиях Белоруссии вышеупомянутая станция имеет среднегодовую мощность примерно в 8 раз ниже максимальной. Это факт конечно удорожает солнечную энергию по сравнению с традиционными источниками.
Другое дело - на орбите.
Если будут созданы радиационно-стойкие СБ с такой же стоимостью, какая уже достигнута для наземных СБ - они  смогут поспорить с орбитальными солнечными коллекторами, за счет большей конструктивной простоты, большей надежности и более низкой трудоемкости монтажа на орбите.

[pkl]

Shestoper пишет:

pkl пишет:
Так надо строить АЭС с развитой пассивной безопасностью, и всё!

Надо.
А цена строительства кВт мощности при этом останется прежней, или увеличится?    

Такой же, как у современных реакторов. На ныне строящихся все эти системы уже есть.


На остальное отвечу попозже.

[Shestoper]

Добавлю вот ещё что.
Земные запасы урана в морской вожде - около 5 миллиардов тонн.
Этого человечеству хватит примерно на 100 тысяч лет при современном уровне потребления.
Но для решения задач по терраформированию и межзвездным полетам энерговооруженность человечества должна возрасти минимум на 3-4 порядка.
Такой энергетике земных запасов урана хватит примерно на десятилетие. Для неё есть только два источника - термояд и солнце. Уран - временное решение

[pkl]

Для терраформинга и межвёздных перелётов будут использовать термояд. В той или иной форме. Хотя бы в виде термоядерных боеприпасов на жидком дейтерии, а для них урана надо немного. Кстати, видели новость:
 http://elementy.ru/news/432193
Если уж даже NIF демонстрирует положительные результаты, то...
И вот эти цифры:

Стоимость конструкционного углепластика сейчас около 40 долларов/кг - это сравнимо с ценой выведения кг даже пусковой петлей. Так что применение композитов для опорных конструкций экономически возможно.
Но даже в этом случае удельная масса СКЭС вряд ли снизится ниже 2-3 кг/кВт (кстати это сравнимо с приличным ДВС)...

и здесь:
 http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/messages/forum9/topic3575/message1394761/#message1394761
будут, скорее, смертным приговором СКЭС, нежели дадут шанс новым средствам выведения.

[pkl]

Shestoper пишет:
Вот несколько проектов с массовыми сводками (проекты древние, поэтому параметры СБ низкие): http://engineeringsystems.ru/solnichniye-kosmicheskiye-energostancii/teploviye-skes.php
 http://engineeringsystems.ru/solnichniye-kosmicheskiye-energostancii/fotoelektricheskiye-skes.php

Прочитал - всё очень грустно. Теперь понял, что это не я один такой умный и те же идеи десятки лет назад приходили в голову другим конструкторам и инженерам. Т.е. конструкция уже тогда была вылизана до предела и совершенствовать её некуда. И даже рост кпд фотопреобразователей её не спасут - он не настолько велик, чтобы радикально снизить массу СКЭС. Те, старые СКЭС, имели массу в десятки тысяч тонн. Понятно, что даже с учётом достигнутых кпд /а это 36%, максимум, в лабораториях, 45%/ масса СКЭС, спроектированных с учётом современных достижений в области материаловедения не будет радикально отличаться от старых проектов 70-х гг.

Возможно, положение спасут наноантенны, кпд которых обещают до 85%:
 https://ru.wikipedia.org/wiki/Наноантенна
 http://ufn.ru/ru/articles/2013/6/a/
Но эта технология пока в разработке, так что идею СКЭС придётся отложить, пока наноантенные не доведут до ума.  

[Юрий михайлович Темников]

pkl пишет:
Прочитал - всё очень грустно

Не расстраивайтесь ,К тому времени когда будут строить эти гиганты все изменится в лучшую сторону.Нужно начинать со строительства небольших СКЭС на низкой орбите.Они конечно погоды не сделают ,но могут весьма поспособствовать развитию космонавтики и приблизить строительство больших СКЭС.

[Юрий михайлович Темников]

Как вариант:РН с водородно-кислородным ЖРД запускается с самолета-носителя (что проще ,дешевле и мобильнее космодрома)Теперь вспомним две вещи:Старую идею о ВЧ мобиле-передача энергии бесконтактным путем транспортному средству.И второе полеты сверхзвуковых самолетов над землей с огибанием рельефа местности.Теперь сооружаем на низкой орбите две СКЭС и соединяем их ВЧ петлей достаточной длины.Запускаем с  самолета носителя РН с водородно-кислородным ЖРД в плоскости орбиты СКЭС по баллистической траектории до высоты полета СКЭС и поддерживаем ее работой ЖРД.Тут очень важна точность наведения.И при пролете вдоль ВЧ-петли набираем остаточную скорость работой ЭРД на водороде с УИ даже большим чем у ЯРД .Самое интересное в этой идее это то что ее отработка возможна при минимальной мощности СКЭС и также минимальной разности скоростей.

[Chilik]

pkl пишет:
Кстати, видели новость:
 http://elementy.ru/news/432193
Если уж даже NIF демонстрирует положительные результаты, то...

... то нужно правильно относиться к новостям, которые появляются в качестве реакции на грамотно написанные пресс-релизы причастных организаций.
Смотрим рис. 5 по ссылке, он правильный. В исходном лазерном луче в третьей гармонике около 2 МДж. Полный термоядерный выход мишени 17 кДж. Это меньше 1% от исходной энергии. По обещаниям, ещё года три назад они должны были получить энергии больше, чем затратили. Не получили. А финансирование получать надо и успехи демонстрировать надо. Поэтому элегантным движением из рукава достали другую линейку: термоядерный выход сравнивается не с исходной энергетикой лазерного луча (даже не от розетки, а в третьей гармонике, "физический к.п.д."), а с маленькой её долей, которая дошла до непосредственно термоядерного топлива. И таки да, они молодцы и чемпионы, поскольку действительно получили условия, в которых энерговыделение в результате дополнительного разогрева плазмы альфа-частицами от первичных реакций синтеза превышает энерговыделение от этих самых первичных реакций. Не отнимешь, что есть - то есть. Но всё-таки надо помнить, что деньги им давались на результат в 100 раз лучший. Хотя говорят, что по основной программе работы установки (а это вовсе не термояд) у них всё в порядке.

[pkl]

А, ну этот финт ушами я просёк.  Просто интересно то, что им действительно удалось запустить там реакцию синтеза.

[pkl]

Юрий Темников пишет:

pkl пишет:
Прочитал - всё очень грустно

Не расстраивайтесь ,К тому времени когда будут строить эти гиганты все изменится в лучшую сторону.Нужно начинать со строительства небольших СКЭС на низкой орбите.Они конечно погоды не сделают ,но могут весьма поспособствовать развитию космонавтики и приблизить строительство больших СКЭС.

Не поспособствуют. У них массы, как ни крути, десятки тысяч тонн. Есть и более простые и доступные способы получения энергии.

[Shestoper]

pkl пишет:
У них массы, как ни крути, десятки тысяч тонн.

И че?
Это при электрической мощности 10 ГВт (причем доставляемой на Землю, на месте получают в полтора-два раза больше).
Реактор РБМК-1000 имеет мощность в 10 раз меньше, причем в него одного урана загружают 190 тонн. Плюс замедлитель, теплоноситель, биозащита, турбины, электрогенераторы, градирни - все в сумме точно тянет на несколько тысяч тонн.
Умножьте на 10 (чтобы получить ту же мощность) - вот вам те же десятки килотонн.

Проблема не в самой массе СКЭС, тут они вполне сравнимы с другими типами электростанций. Может посмотрим на массу плотин крупных ГЭС, а?    
Проблема с том, что для СКЭС эту массу нужно доставлять на орбиту. Для чего нужно очень мощное и очень дешевое (на кг) средство выведения.
Плюс до недавнего времени производство СБ обходилось дорого (и проекты 70-80-ых вынуждены были ориентироваться на тогдашние цены), сейчас цену производство удалось значительно снизить, в перспективе вероятно снизят ещё сильнее (пленочные СБ, органические СБ, наноантенны).

[Shestoper]

Юрий Темников пишет:
Теперь вспомним две вещи:Старую идею о ВЧ мобиле-передача энергии бесконтактным путем транспортному средству.И второе полеты сверхзвуковых самолетов над землей с огибанием рельефа местности.Теперь сооружаем на низкой орбите две СКЭС и соединяем их ВЧ петлей достаточной длины.Запускаем ссамолета носителя РН с водородно-кислородным ЖРД в плоскости орбиты СКЭС по баллистической траектории до высоты полета СКЭС и поддерживаем ее работой ЖРД.Тут очень важна точность наведения.И при пролете вдоль ВЧ-петли набираем остаточную скорость работой ЭРД на водороде с УИ даже большим чем у ЯРД

ЭРД тут не годится, слишком мала тяга.
Но можно использовать ракетный двигатель с нагревом рабочего тела лазером с орбиты.
Чтобы не мешали облака, и чтобы набрать часть ХС, можно ракету с водородным баком сбрасывать со сверхзвукового самолета на высоте 20-30 км. А дальше батарея мощных лазеров с низкоорбитальной СКЭС, догоняющей ракету сзади-сверху, начинает светить в сопло с дистанции порядка 1000 км. А в сопло подается водород.
Стенки сопла можно выполнить с абляционной теплозащитой. Тогда температуру водорода можно поднять намного выше, чем в твердофазном ЯРД. Удельный импульс такой ракеты может достигать 1500-2000 с, как у импульсного ядерного взрыволета (но без радиационных выбросов и без расходования дорогого плутония).

Мощность двигателей ракеты Р-7 - 15 ГВт. Так что мощности одной крупной СКЭС хватит для выведения грузов квантами по 5-20 тонн (мю ПН лазерной ракеты будет высокой из-за высокого УИ).
Специализированный самолет-носитель вполне сможет поднимать ракету массой 50-200 тонн.

Есть целых три способа, позволяющих резко снизить цену выведения:
1) Электромагнитные пушки.
2) Несинхронный лифт (орбитальный крюк) - вот для его доразгона на орбите между выведениями грузов с Земли можно и нужно использовать ЭРД, с энергией от ядерного реактора или с передачей с СКЭС на близких орбитах.
3) Вышеописанная лазерная ракета.

[Lunatik-k]

Только освоение лунных ресурсов позволит построить солнечные электростанции.
Все конструкционые материалы должны доставляться с поверхности Луны.

Начать со строительства солнечной электростанции на Луне.
Потом освоить автоматическое массовое производство конструкционных материалов на поверхности Луны.

И возить их на стационарную орбиту с поверхности Луны.

[Shestoper]

Lunatik-k пишет:
Только освоение лунных ресурсов позволит построить солнечные электростанции.
Все конструкционые материалы должны доставляться с поверхности Луны.

Начать со строительства солнечной электростанции на Луне.
Потом освоить автоматическое массовое производство конструкционных материалов на поверхности Луны.

Такая схема будет энергетически выгодней выведения СКЭС с Земли при наличии на Луне крупного производства.
Чтобы забросить на Луну оборудование для такого производства, и для дешевого выведения произведенных конструкций с Луны (на Луне электромагнитная пушка получится гораздо более компактной, чем для Земли) - а это тысячи тонн как минимум - на Земле опять-таки нужно иметь мощное и дешевое средство выведения.
Пока производство на Луне будет разворачиваться, можно будет развернуть на ГСО несколько опытных СКЭС, предназначенных для отработки концепции сборки в космосе крупных объектов.

А ещё раньше, буквально завтра, можно обычными ракетами вывести на низкую орбиту мини-СКЭС (размером 100-200 метров) для отработки передачи энергии сквозь атмосферу.

Эта мини-СКЭС неизбежно будет убыточна.
Геостационарные СКЭС, созданные при использовании нового средства выведения, уже могут быть рентабельны.
А максимальная прибыльность будет достигнута позже, когда заработает лунное производство, и в ещё более отдаленной перспективе, когда СКЭС будут выводиться на околосолнечные орбиты с передачей энергией лазерами за десятки миллионов км.
Последний пункт - это уже вероятно в следующем веке.

[Lunatik-k]

Shestoper> Стенки сопла можно выполнить с абляционной теплозащитой. Тогда температуру водорода можно поднять намного выше, чем в твердофазном ЯРД. Удельный импульс такой ракеты может достигать 1500-2000 с, как у импульсного ядерного взрыволета (но без радиационных выбросов и без расходования дорогого плутония). Мощность двигателей ракеты Р-7 - 15 ГВт. Так что мощности одной крупной СКЭС хватит для выведения грузов квантами по 5-20 тонн (мю ПН лазерной ракеты будет высокой из-за высокого УИ).
Специализированный самолет-носитель вполне сможет поднимать ракету массой 50-200 тонн

На Луне нет облаков т.ч. и самолет выведения не нужен.
Орбитальная лунная солнечная электростанция позволит стартовать прямо с поверхности Луны, без самолетов.

[Shestoper]

Для Луны вторая космическая 2,4 км/c и вакуум, так что отлично подходит просто гауссовка, даже не нужен вакуумированный ствол.

Но заводы и гауссова пушка - это такой объем грузов, который на Луну доставлять ракетами обойдется в астрономическую сумму.
А произвести все это из семечка-зародыша мы ещё не так быстро научимся.
Так что все равно нужно на Земле мощное и дешевое средство выведения.

[Lunatik-k]

Стационарная орбита Луны значительно ближе к поверхности Луны.
На Луне отсутствует атмосфера, расходимости света, связанной с атмосферой нет.

т.ч. начинать осваивать технологии нужно применительно к Луне, т.к. там ночи длинные, а энергия нужна.