Вас заботит проблема энергосбережения, но не в масштабах целой Земли, а отдельно взятой постройки — вашего дома. Именно поэтому вы планируете заменить тэны в вашем бойлере на более экономичные. Так что обязательно загляните на aldentrade.com.ua, где вы сможете приобрести их на максимально выгодных для себя условиях.

---

Все проекты космических энергетических систем рассматривают передачу энергии из космоса на Землю в диапазоне СВЧ-излучения, поскольку этот диапазон позволяет с минимальными потерями энергии проходить земную атмосферу. Однако, как было показано выше, уровень безопасной энергии на ректеннах ограничивает суммарную масштабность подобных энергосистем до 2,5-3 ТВт.

 

Плотность СВЧ-излучения должна быть достаточно низкой для обеспечения безопасности людей, Природы и сохранности ионосферы Земли. Поэтому площадь ректенн на Земле получается очень большой. Для примера в табл. ниже указаны характеристики двух вариантов ректенн при длине волны 12,24 см.

 

Технические характеристики ректенн

 

По нормам, действующим в разных странах, допустимая мощность СВЧ- излучения при кратковременном воздействии (до 2-3 ч в сутки) не более 10-50 Вт/м² и при длительном — не более 1-10 Вт/м². Следовательно, даже «безопасные» ректенны должны размещаться вдали от густонаселенных мест.

 

Помимо отчуждения больших площадей на Земле в ближнем околоземном пространстве для круглосуточного энергоснабжения должны быть расположены спутники-ретрансляторы с такой же площадью и с соответствующей массой. Уменьшение площади спутников повлечет за собой увеличение энергетических потерь.

 

Указанные недостатки могут быть исключены при передаче энергии в микроволновом и оптическом диапазонах излучения. Использование этих диапазонов дает возможность обеспечить энергетический поток высокой плотности в узконаправленном луче, уменьшить размеры ректенн на Земле и спутников-ретрансляторов на околоземной орбите по сравнению с этими же элементами энергетической системы, работающей в СВЧ-диапазоне, либо при прочих равных условиях на порядок увеличить передаваемую мощность.

 

Основным препятствием для видимого и микроволнового диапазонов излучения служит облачный покров земной атмосферы. Главным направлением в преодолении этого препятствия в течение многих лет был поиск окон прозрачности атмосферы. Исследования показывают, что лазер, работающий с длиной волны 1064 нм, проникает сквозь земную атмосферу, теряя не больше 10% своей интенсивности. При такой частоте плотность потока энергии в 5 кВт/м² безвредна для человека. Это больше чем на два порядка превышает «безопасную» плотность энергии на ректене при СВЧ-излучении.

 

Другим многообещающим направлением может стать разработка способов локального управления погодой. Один из таких способов запатентован в России. Разработка способов локального управления погодой позволит обеспечить прохождение лазерного луча видимого и микроволнового диапазонов через земную атмосферу в районе ректенны с высоким КПД.

В Исследовательском Центре им. М.В. Келдыша и МРТИ РАН был выполнен анализ по обоснованию возможности сравнительно быстрого (в течение 10-15 лет) создания пилотного демонстрационного энергоизлучательного лунного комплекса мощностью в несколько миллионов киловатт — как типового модуля будущей (к 2050 г.) полноразмерной энергопроизводящей системы мощностью до 2,5-3 ТВт. В основу положен модифицированный вариант «упрощенной» концепции системы без зеркал на лунной орбите, без дополнительных баз на обратной стороне Луны, но с отражателями на околоземной орбите.

 

В проекте принята нетрадиционная, но простейшая схема энергоизлучательного комплекса — совмещение тонкопленочной солнечной батареи с фазированной антенной решеткой (микронный электрогенерирующий слой аморфного кремния на железной фольге-подложке толщиной 20 мкм, при характерной ширине ленты 0,5 м), в которую с шагом, равным длине волны (5,2 см), вмонтированы твердотельные транзисторы мощностью —0,1 Вт. Такие ленты, уложенные на простейшие опоры высотой 0,5 м, имеют полносборную заводскую готовность, и готовы к монтажу из рулона. Они образуют всю поверхность фазированной антенной решетки в энергоизлучательном комплексе. Такая интегральная схема в несколько раз лучше по материалоемкости, чем энергоизлучательный комплекс с зеркальными антеннами со сканирующим лучом.

 

Для доставки на Луну технических модулей лунных заводов по производству лент-антенн, использующих реголит в качестве сырья для изготовления лент-подложек и пенокерамических, либо пеносиликатных волноводов разводки опорного СВЧ-сигнала, в рамках лунного производственного комплекса могут быть организованы также линии по производству лунных топлив — «кислород+кремний» и «кислород+алюминий» для использования его компонентов в составе двухступенчатой транспортной системы «ОИСЗ — ОИСЛ — ОИСЗ» и «Луна — ОИСЛ — Луна».

2015 год был богат на научные новости. Из-за этого, наверное, публика обошла вниманием важное сообщение, связанное с исследовательской работой на Международной космической станции (МКС). В марте туда отправился астронавт Скотт Келли — бортинженер 43-й экспедиции. Вместе со своим напарником Михаилом Корниенко он проведёт на орбите почти целый год, что станет очередным космическим рекордом: до сих пор международные экипажи так долго вне Земли не работали. Главная задача Келли и Корниенко — подготовка экспедиции на Марс. Правда, специалисты, планировавшие миссию, уточняют, что до реальной экспедиции ещё очень далеко, но настала пора сделать к ней первый шаг, перейдя от полугодичных полётов к годичным. У российских космонавтов, в отличие от астронавтов NASA, есть опыт длительных миссий — рекордсменом здесь был и остаётся Валерий Поляков, который провёл 438 суток на орбитальной станции «Мир». Кроме того, Келли и Корниенко будут применять новейшие методы для изучения своего физического состояния. Если раньше учёные наблюдали за тем, как человек адаптируется к условиям невесомости, то сегодня особый интерес вызывают тончайшие изменения в организме, которые нельзя остановить или замедлить простой физической нагрузкой. Благодаря современной диагностической технике появилась возможность контролировать перемещение и баланс жидких сред в организме, регистрировать нарушения зрения и скачки кровяного давления в сосудах. Читать дальше>>

«У него был своеобразный способ уборки: он попросту проглотил всех мух и пауков, заключённых в коробках, прежде чем я смог остановить его.»
Брэм Стокер «Дракула»

Граф Дракула — самый знаменитый вампир. Его имя стало нарицательным, а образ, созданный в конце XIX века Брэмом Стокером и обыгранный в бесчисленных фильмах, сделался хрестоматийным. Замок в горах Трансильвании, верные слуги-люди, чёрный плащ с алой подкладкой, три невесты, умение превращаться в летучую мышь… Как и другие знаменитости, граф и его прототип оставили множество следов в разных городах и странах. Читать дальше>>

Планируете вырастить из своего сына второго Гагарина? В этом случае обязательно обязательно прикупите детские книги, затрагивающие тему космоса. Найти такие книги вы сможете, к примеру, на colibribookstore.com.

---

КСЭС на базе солнечных батарей с кремниевыми фотоэлектрическими преобразователями с КПД 12-15% и электроразрядными лазерами с длиной волны излучения 10,6 мкм и с дозвуковым потоком активной среды (CO2) в резонаторе с КПД лазерного контура 18% будет иметь полный системный КПД 2,4%. Удельная масса КСЭС при мощности 45-75 МВт оценивается в 25 кг/кВт, причем 49% приходится на холодильники-излучатели системы охлаждения лазерного контура. При использовании рабочих тел электроразрядного лазера на основе СО достижимы КПД лазерного контура в 29-30 %, при этом, однако, требуются большие мощности для привода компрессора, так как используется сверхзвуковая прокачка рабочего тела в контуре. Однако общий системный КПД может быть увеличен до 4-6%.

 

Достигнут большой прогресс в повышении характеристик полупроводниковых лазеров с электрической накачкой. Для ИК-диапазона промышленностью освоен выпуск источников излучения в ближнем инфракрасном диапазоне с КПД 50%, а для экспериментальных образцов получены значения КПД до 70%. Удельные массы источников ИК-излучения большой мощности (без остронаправленной оптической системы) могут составлять 2-4 кг/кВт. Поэтому энергоизлучающие системы на основе полупроводниковых лазерных диодов представляют большой интерес, так как при использовании совместно с пленочными ФЭП на основе Si или алмазоподобных структур с КПД 15-20% способны обеспечить полный КПД КСЭС 7-14% даже с учетом потерь в оптических элементах. Это существенно выше, чем у систем с оптической и тепловой накачкой, а также у систем с электроразрядными лазерами. Одновременно такая система будет отличаться относительной конструкционной простотой.

 

Недостатком полупроводниковых диодов является относительно низкая рабочая температура (до 40°С), ведущая к большим потребным площадям холодильников-излучателей системы теплоотвода лазера. Однако, учитывая высокий КПД по сравнению с электроразрядными системами (50-70% против 18-30%) и сравнительную близость их рабочих температурных режимов, можно предполагать, что полупроводниковые лазеры окажутся конкурентоспособными по данному критерию.

 

Другой недостаток энергоизлучающих систем на базе полупроводниковых диодов — необходимость суммирования излучения, генерируемого большим количеством отдельных лазерных диодов (их оптическая мощность не превосходит десятков ватт), а также низкое качество (высокая расходимость и асимметрия пучков) излучения диодов, что требует использования специальных оптических систем. Тем не менее, указанные проблемы могут быть преодолены, например, с использованием индивидуальных корректирующих оптических элементов для лазерных диодов.

 

При рассмотрении возможности использования в составе КСЭС лазеров на базе полупроводниковых диодов нельзя не учитывать вопросы стоимости и доступности соответствующих материалов. Большинство полупроводниковых лазерных диодов с высоким КПД созданы на основе GaAs. Учитывая ограниченность запасов галлия и его относительно высокую стоимость, надо полагать, что использование соответствующих диодов возможно для систем передачи энергии космос-космос и пилотных вариантов КСЭС относительно небольшой мощности (десятки — сотни мегаватт), но вряд ли возможно для полномасштабной системы энергоснабжения Земли из космоса отдаленной перспективы суммарной мощностью до единиц и десятков ТВт. В этом случае необходимо использование альтернативных материалов для лазерных диодов.

 

Таким образом, полупроводниковые лазеры с электрической накачкой являются перспективными кандидатами на использование в составе энергоизлучающих систем КСЭС, а также в системах беспроводной передачи энергии космос — космос, в которых принципиальное значение имеет полный КПД тракта передачи энергии.

 

В настоящий момент проекты экспериментальных геостационарных КСЭС мощностью до 1 ГВт, использующих лазерный канал передачи энергии, рассматриваются Японским космическим агентством (JAXA) в рамках программы SSPS [6.52], а также компанией EADS-ST (Германия) в рамках проекта SPI («Космическая энергетическая инфраструктура»).

В лабораторных установках оптическая накачка применяется сравнительно давно, накоплен большой опыт в использовании различных рабочих тел, организации процессов накачки, генерации излучения и вывода его из установки. Тем не менее, использование этого принципа в мощных лазерах солнечных КСЭС сталкивается с рядом трудностей.

 

Во-первых, полный системный КПД таких энергоизлучающих систем (отношение оптической мощности лазера к падающей на коллектор мощности солнечного излучения) составляет всего 0,5-4%. Следовательно, КСЭС на базе подобных систем должны обладать огромными светособирающими поверхностями. Это не только приводит к большим габаритам и массам конструкции КСЭС, но и трудновыполнимым требованиям к солнечным коллекторам. При использовании принципа прямой солнечной накачки активной среды лазера последние представляют собой концентраторы солнечного излучения с высокими требуемыми степенями концентрации, к точности поверхности которых предъявляются жесткие требования, плохо совместимые с большими габаритами.

 

Во-вторых, обладающие необходимым для эффективной накачки активной среды коэффициентом концентрации солнечного излучения параболоидные концентраторы дают фокальное изображение в виде круга, что затрудняет равномерное возбуждение активной среды в протяженной лазерной трубке-резонаторе, располагаемой перпендикулярно оптической оси отражателя. Отчасти данная проблема может быть решена использованием дополнительных оптических элементов, например, устройства, состоящего из расположенной коаксиально с лазерной трубкой зеркальной трубки с внутренней отражающей поверхностью. Тем не менее, устранить принципиальные ограничения, связанные, например, с малым телесным углом подвода энергии, по всей видимости, не удастся. Поэтому рассматривались варианты накачки лазерных трубок тепловым излучением нагреваемых внутренних стенок полостного приемника.

 

В-третьих, малое значение полного КПД энергоизлучательной системы с прямой солнечной накачкой во многом связано с тем, что для накачки используется лишь узкая полоса солнечного спектра. Поскольку остальная часть спектра в значительной степени будет поглощена конструкционными элементами системы, необходимость их охлаждения может привести к неприемлемо большим мощности и массе системы теплоотвода. Частично эта проблема может быть решена за счет использования концентраторов с селективно-отражающими покрытиями.

 

Схема солнечной двухконтурной энергоизлучательной системы с тепловой накачкой и двумя концентраторами солнечного излучения:

1 — концентраторы; 2 — приемники сконцентрированного излучения;

3 — теплообменник лазерного контура; 4 — газодинамический лазер; 5 — диффузор; 6 — рекуператор лазерного контура; 7 — компрессоры; 8 — теплообменники системы отвода тепла; 9 — насосы циркуляционных контуров; 10 — холодильники-излучатели; 11 — рекуператор энергетического контура; 12 — турбина

 

Солнечные энергоизлучательные системы с тепловой накачкой отличаются тем, что в них энергия солнечного излучения преобразуется в тепловую, которая в дальнейшем используется для возбуждения рабочего тела газодинамических лазеров. В таких системах предлагается использовать два основных контура: машинный энергетический, функционирующий по циклу Брайтона (с регенерацией) или циклу Ренкина, и лазерный. При использовании в энергетическом контуре цикла Брайтона (газотурбинного преобразователя) тепловая энергия раздельно подводится к каждому контуру с помощью систем концентратор-приемник (рис. выше). В системе с циклом Ренкина (паротурбинной установкой) требуется только один приемник-концентратор для подвода энергии в энергетический цикл, а в лазерный контур энергия подводится посредством высокотемпературного компрессора (рис. ниже).

 

Схема солнечной двухконтурной энергоизлучательной системы с тепловой накачкой и одним концентратором солнечного излучения:

1 — концентратор; 2 — приемник-парогенератор; 3 — паровая турбина; 4 — насос;

5 — высокотемпературный компрессор; 6 — газодинамический лазер; 7 — диффузор; 8 — холодильник-излучатель; 9 — радиатор-конденсатор; 10 — рекуператор

---

Работаете в НИИ и разрабатываете проект орбитальной солнечной электростанции, но для его завершения необходимо использовать техническую документацию на иностранном языке, которого вы, к сожалению, не знаете. Именно поэтому я рекомендую вам заказать технический перевод у профессионалов с высоким опытом работы в данной области. Таких специалистов вы всегда сможете найти на сайте livion.ru.

---

Важный этап исследовательских работ в области КСЭС — выбор и обоснование структуры и параметров перспективных систем преобразования солнечной энергии в энергию направленного монохроматического электромагнитного излучения. При этом оценка эффективности преобразования должна проводиться на основе комплексного подхода и рассмотрения единой энергоизлучательной системы, охватывающей все элементы от источника первичной энергии (в данном случае — солнечный коллектор) до элемента, непосредственно генерирующего монохроматическое излучение. Более того, должны учитываться также параметры выходного излучения — его качество (пространственное распределение интенсивности), влияющее на требования к системе фокусировки, а также длина волны, от которой зависят как апертуры излучателя и наземного приемника, так и степень поглощения в атмосфере Земли. При сравнении КСЭС различных типов важно также учитывать вопросы охлаждения излучателей — систему теплоотвода, а также ряд специфических вспомогательных систем, присущих только данному конкретному типу КСЭС (например, систему преобразования электрической мощности для КСЭС с лазерами с электрической накачкой). Игнорирование наличия подобных вспомогательных систем может привести к ошибочным выводам при сравнительном анализе различных проектов КСЭС.

 

При рассмотрении энергоизлучательных систем, в которых осуществляется преобразование солнечного излучения в лазерное, выбор рациональных путей этого преобразования является достаточно сложным из-за существования нескольких принципиально различных способов получения активной среды, генерирующей лазерное излучение, а также вследствие возможности комбинации этих способов.

 

Схема путей преобразования энергии в энергоизлучающих системах

 

В работе многообразные пути преобразования энергии в солнечных энергоизлучательных системах на основе мощных лазеров обобщены и проиллюстрированы схемой, изображенной на рис. выше. Там же рассмотрены соответствующие возможные варианты структур энергоизлучательных систем различных классов и типов.

 

Все энергоизлучательные системы можно подразделить по способу накачки на три основных типа: с оптической, с тепловой накачкой и с электрической накачкой лазера.

 

Рассмотрим основные преимущества и недостатки каждого из этих типов систем, а также соответствующие возможные варианты структур энергоизлучательных систем.

 

Схема солнечной энергоизлучательной системы с прямой оптической накачкой рабочего тела лазера солнечным излучением:

1 — концентратор солнечного излучения; 2 — лазер; 3 — выходящее излучение;

4 — циркуляционный контур; 5 — холодильник-излучатель; 6 — насос

 

Солнечные энергоизлучательные системы с оптической накачкой лазера относятся к классу систем, ближе всего отвечающих по своей структуре целям их создания, поскольку не существует принципиальной необходимости в промежуточных ступенях преобразования в них солнечной энергии (рис. выше).

 

Анализ пригодности различных веществ к использованию в качестве активных сред лазеров таких систем показал, что существуют множество потенциально пригодных молекулярных соединений. Однако, наибольший интерес (с точки зрения КПД преобразования, требований к плотности потока излучения накачки и длины волны излучения лазера) представляют вещества, накачка и излучение которых относятся к ИК части спектра — СО, СO₂, N₂O. Интерес представляет также соединение CF₃J, накачка которого осуществляется видимым светом, а длина волны излучения (1,315 мкм) лежит в ИК-диапазоне.

 

Идея непосредственного преобразования солнечного излучения в лазерное наиболее просто реализуется в системах с прямой оптической накачкой, где сконцентрированный поток солнечных лучей направляется на активную среду, ограниченную прозрачной оболочкой.

Ко встрече с братьями по разуму люди начали готовиться задолго до наступления космической эры. Впервые вопрос о населённости других небесных тел встал в начале XVII века, когда Галилео Галилей рассмотрел на Луне горы. Мистический серебристый диск на небе обернулся миром, похожим на Землю! С этого момента населёнными стали считаться все планеты нашей системы, Солнце, а иногда и звёзды. Вывод о существовании инопланетян был сделан на основании логического умозаключения: если среди лунных гор никто не живёт, то зачем они там нужны? Читать дальше>>

Палеонтология уже полтора века делает то, на что космонавтика пока не способна. Эта наука открывает нам новые миры, неведомые и захватывающие. В пределах Солнечной системы мы сможем найти фантастические ледяные горы, вулканы, извергающие воду и серу, метановые моря, увидеть сияющие кольца планет и грозы в атмосферах газовых гигантов. Но едва ли обнаружим там иную жизнь. Палеонтология же регулярно открывает новые, неизведанные формы жизни. И по отношению к нам они нередко оказываются не менее чуждыми, чем пришельцы из далёкого космоса. Читать дальше>>

Ранние проекты КСЭС отличались сравнительно большой мощностью единичной станции при огромных габаритах и массах. Однако более предпочтительным представляется развертывание системы энергоснабжения Земли из космоса на основе большого количества КСЭС умеренной мощности, что позволяет реализовать проект поэтапно.

 

Космическая система энергоснабжения Земли умеренной мощности, разработанная в ИЦ им. Келдыша, включает космический и наземный сегменты. В состав космического сегмента входит система орбитальных КСЭС, использующих солнечную энергию в качестве первичного источника мощности, которая транслируется наземному потребителю посредством СВЧ-излучения. Наземный сегмент состоит из приемных пунктов, включающих антенны для приема СВЧ-излучения (ректенны) и преобразователи энергии СВЧ-излучения в электроэнергию, используемую потребителями. Срок функционирования системы может составить 20-30 лет.

 

Рассматривалась концепция построения системы энергоснабжения Земли на основе группировки КСЭС, размещенных на низких околоземных орбитах. Был проведен анализ эффективности и определен выбор орбитального построения системы, сформированы требования к характеристикам КСЭС и параметрам всей системы энергоснабжения в целом по критерию обеспечения минимальных удельных капиталовложений и удельной себестоимости электроэнергии.

 

Рассматривались варианты солнечных батарей с ФЭП на основе аморфного кремния (αSi) с установочной мощностью 5 и 10 МВт, обеспечивающие выработку электроэнергии с напряжением на выходе 110 В. При удельной мощности солнечных батарей 100 Вт/м² в конце двадцатилетнего срока эксплуатации для мощности 5 МВт площадь батарей должна составлять 50х10³м² (2 панели с габаритами 160×160 м). Увеличение установочной мощности с 5 до 15 МВт при неизменной площади предполагается за счет повышения КПД ФЭП с 10% до 30% и, соответственно, удельной мощности до 300 Вт/м². При удельной массе солнечных батарей 0,67-2 кг/кВт (в зависимости от КПД) и удельной поверхности 0,2 кг/м² масса солнечных батарей для мощности 5-15 МВт составит 10т.

 

Для преобразования напряжения солнечных батарей с 110 В до 20 кВ и для преобразования электроэнергии в СВЧ-излучение КСЭС должны иметь преобразователь напряжения постоянного тока и преобразователь электроэнергии в СВЧ-излучение с КПД 0,97 и 0,8, соответственно, и удельными массами 1 кг/кВт и 0,2-0,5 кг/кВт соответственно (в сумме 1,2-1,5 кг/кВт). Масса преобразователей мощности на КСЭС мощностью 5-15 МВт и принятых удельных характеристик составит 7,5-18 т соответственно.

 

Для передачи энергии на Землю посредством СВЧ-излучения в состав КСЭС входит антенна с длиной волны λ порядка 3 см, которая обеспечивает прохождение луча через атмосферу с наименьшими потерями (КПД тракта передачи энергии — 0,9). Диаметр антенны D_ант связан с длиной волны λ и углом расходимости луча δ зависимостью:

D_ант =K_антxλ/δ

 

При удельной массе антенны 0,25 кг/м² (0,67-2 кг/кВт в зависимости от установочной мощности КСЭС) масса антенны 10т. Для крепления блоков, составляющих КСЭС, используется несущая ферма с удельной массой 0,33-0,6 кг/кВт.

 

Схема развертывания и обслуживания системы энергоснабжения Земли из космоса предполагает выведение КСЭС или составляющих ее блоков многоразовыми, либо частично многоразовыми PH на опорную орбиту с последующим довыведением их посредством межорбитальных буксиров с ЭРДУ на аргоне на орбиту сборки и обслуживания высотой порядка 450 км. Буксир может быть использован также для транспортировки КСЭС обратно на орбиту обслуживания для ремонта и восстановления в случае аварийной ситуации. Доставка КСЭС мощностью 5-15 МВт и массой 40-55 т на рабочую орбиту высотой 1700 км потребует затрат характеристической скорости на уровне -1250 м/с и использования ЭРДУ электрической мощностью 1,5 МВт с удельным импульсом -7000 с и запасом рабочего тела ~1т.

 

Суммарная масса КСЭС установочной мощностью солнечных батарей 5-15 МВт с учетом ЭРДУ с рабочим телом и запаса на неучтенные составляющие (10-15% от массы КСЭС в целом) может составить 55-60 т.

 

Наземный сегмент системы энергоснабжения Земли из космоса включает пункты приема энергии с КСЭС, в состав которых входят антенны
приема (ректенны), системы обратного преобразования СВЧ-излучения в электроэнергию и трансформаторы, обеспечивающие необходимое для потребителей напряжение. КПД ректенны (при параметре распределения плотности мощности по апертуре равном 1,5) равен 0,88, а суммарный КПД преобразователей принят равным 0,83.