Передача энергии солнечных батарей

Можно ли получить солнечную энергию из космоса?

Более семидесяти лет назад, в 1941 году, Айзек Азимов написал рассказ, в котором энергию солнца передавали через микроволновые лучи на соседние планеты при помощи космической станции. Прошли годы, и сегодня ученые пытаются воплотить эту научную фантастику в реальность на Земле. Концепции использования солнечной энергии, получаемой из космоса, или непосредственно в космосе разрабатываются с середины 20 века. Множество проектов ждут своего часа.

Космические станции — это наш мост а ближний и дальний космос.

Будущее солнечной энергии

Используя солнечную энергию в космосе (SBSP), мы могли бы решить наши проблемы с энергией и выбросами парниковых газов с минимальным воздействием на окружающую среду. Профессор Серджио Пеллегрино из Калтеха недавно заявил, что массивное производство энергии системы SBSP и тот факт, что наше солнце будет работать еще 10 миллиардов лет, позволяют нам предположить, что источник энергии у нас не иссякнет еще долго.

Одно из самых обширных исследований NASA за все время, Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program, было посвящено конкретно SBSP и обошлось более чем в 50 миллионов долларов, оно проводилось с 1976 по 1980 год. Другое фундаментальное исследование, финансируемое NASA, для переоценки и понимания осуществимости SBSP, называлось Space Solar Power Exploratory Research and Technology. Исследование включало огромное количество твердых научных изысканий, но в целом вывод был таким:

«Крупномасштабная SSP — это очень сложная интегрированная система систем, которая требует многочисленных значительных прорывов в современных технологиях и возможностях. Разработана технологическая карта, которая определяет потенциальные пути для достижения всех необходимых прорывов — хотя и в течение нескольких десятилетий». — Джон С. Манкинс, 7 сентября 2000 года.

Понятно, что ничего не понятно. Давайте глубже погрузимся в основы этой экспоненциальной технологии и ее реализуемости.

Что такое солнечная энергия?

Солнечная энергия, добываемая в космосе, это концепция захвата солнечной энергии в космическом пространстве и передачи ее прямо на Землю или другие ближайшие планеты.

Проще говоря, мы могли поместить какой-нибудь механизм в космическое пространство, чтобы почти непрерывно захватывать энергию Солнца и передавать эту энергию на Землю. Это может происходить днем или ночью, в дождь или при ясном небе. Как только мы получаем энергию на Земле на ректенну (специальная антенна для получения энергии), мы сможем легко распределить ее с помощью наших обычных методов. Все очень просто.

Подобные конструкции могут решить все проблемы с энергией.

Существует масса идей, связанных с конфигурацией и архитектурой механизма SBSP, которые мы могли бы использовать. Место размещения системы, архитектура спутников, сбор энергии и передача энергии — это основные крупные пункты, на которые следует обратить внимание при понимании различных систем SBSP. Учитывая количество предлагаемых концепций, мы рассмотрим только некоторые из наиболее заметных вариантов.

Система добычи солнечной энергии?

Геосинхронная, она же геостационарная, (ГСО) орбита, средняя околоземная (СОО) и низкая околоземная орбита (НОО) — вот варианты к рассмотрению. Наиболее перспективной является ГСО из-за упрощенной геометрии и выравнивания антенны по отношению к ректенне, масштабируемости и почти непрерывной передачи энергии. Основная проблема ГСО — большое количество радиационного излучения. Общие космические опасности, такие как микрометеориты или солнечные вспышки, также представляют угрозу.

Спутниковая архитектура

Создать лунные фабрики с большим количеством перевозок или же разработать астероиды для сборки или самосборки спутников SBSP — в любом случае, создание автономных космических фабрик будет сложной задачей. Любое строительство в космосе потребует использования местных и бесплатных материалов (то есть лунных), при этом накладывает определенные ограничения на сложность конструкций, если сравнивать с теми, что можно построить на Земле.

Одна интересная установка, которую мы сейчас строим на Земле, это модульная солнечная батарея разработки Калтеха и Northrop Grumann. Посмотрите на нее на видео ниже.

Другая интересная концепция от частной компании Solaren. В будущем она планирует провести эксперимент со строительством солнечной электростанции SBSP мощностью 250 МВт на геостационарной орбите. В 2009 году Solaren заключила соглашение с крупнейшей энергетической компанией Калифорнии PG&E на обеспечение ее космической солнечной энергией.

Даже NASA с концепцией произвольно большой фазированной решетки (разработанной в 2012 году) привлекла к себе недавнее внимание от Джона С. Манкинса, одного из ведущих экспертов SBSP в мире.

Как собирать энергию солнца в космосе?

Две основные концепции, связанные со сбором энергии, это использование фотогальванических элементов (солнечных батарей) или солнечного тепла. Можно улавливать солнечное тепло (а значит и энергию), используя зеркала для концентрации света и нагрева жидкости. Пар, в свою очередь, будет вращать турбину и вырабатывать электричество. Эта концепция обладает определенным весовым преимуществом по сравнению с солнечными панелями, поскольку снижает общую массу на ватт. Однако в большинстве концепций предполагается использовать сверлегкие и высокоэффективные фотоэлектрические элементы.

Как передавать энергию солнца из космоса?

Микроволновая передача энергии — типичный выбор в конструкциях SBSP из-за общей эффективности, но использование передачи энергии по лазерному лучу — еще одна интересная опция из-за сниженного веса и стоимости. Тем не менее, при мысли о мощном лазерном луче возникает опасение, что его можно превратить в космическое оружие (луч смерти). Однако протоколы безопасности могли бы с легкостью устранить эту угрозу. Конструкции можно создавать с учетом всех требований к безопасным уровням микроволновой энергии. Не будет никакой угрозы для жителей городов и живых существ на пути лучей к земле. Простая обратная связь между антенной и ректенной позволила бы вырубить передачу, если она отклонится от курса.

Теперь, когда мы лучше поняли, что такое SBSP, давайте погрузимся в ее наибольшие ограничения.

Стоимость передачи космической энергии

Может показаться, что все прекрасно и солнце будет миллиарды лет обеспечивать нас бесплатной энергией. Однако всегда есть подвох. Мы уже отметили ряд проблем безопасности, но главное препятствие связано с затратами на отправку всех материалов, необходимых для SBSP. Текущие сметы расходов на отправку примерно 1 кг полезного груза в космос варьируются от 9000 до 43 000 долларов США в зависимости от используемой ракеты и космического аппарата.

Если мы посмотрим только на отправку солнечных панелей, нижний предел спектра затрат на запуск сверхлегкой системы SBSP мощностью 4 МВт составляет 4000 метрических тонн. Но вероятнее всего SBSP будет в диапазоне 80000 метрических тонн.

Низкая оценка: 4000 метрических тонн х 9000 долларов за килограмм = 36 000 000 000 долларов

Высокая оценка: 80 000 метрических тонн х 43 000 долларов за килограмм = 3 440 000 000 000 долларов

Хотя эти цифры будут крайне приблизительными, мы все еще получаем приблизительную стоимость от 36 миллиардов долларов до 3,4 триллиона долларов. Использование фабрики на Луне или астероиде внезапно кажется дешевым.

Результаты исследования NASA показывают, что космическая солнечная энергия является «экономически жизнеспособной», если стартовые затраты будут колебаться в пределах 100-200 долларов за килограмм. Хотя цены продолжаю падать, в том числе благодаря многоразовым ракетам SpaceX, предстоит еще долгий путь. Тем не менее, эта тенденция будет следовать закону ускоряющейся отдачи Рэя Курцвейла, и цены на запуски будут продолжать снижаться с миллиардов и миллионов до нескольких сотен долларов.

Излишне говорить, что проблема не в технологии, а в ее стоимости.

Есть ли перспективы у солнечной энергии?

Способность SBSP обеспечивать чистую и надежную электроэнергию для планеты круглосуточно и без выходных дешевле любого другого источника — абсолютно реальна. Но потребуются десятилетия инвестиций, сборки, тестирования и успешного внедрения, прежде чем система начнет окупать свои первоначальные затраты.

И все же, важнейшим компонентом продвижения SBSP как фактического источника энергии является правильный политический климат.

Зачем нужна энергия солнца?

Если не принимать во внимание политику, получив SBSP (или ядерный синтез) в следующем десятилетии, мы могли бы воплотить такие научные концепции:

• Космические лифты и космические башни
• Орбитальные кольца — используя космические лифты, создать кольцо вокруг Земли вместо космической станции для дешевого передвижения грузов и освоения космоса
• Сферы Дайсона — гигантские оболочки, охватывающие целую звезду и поглощающие весь ее выход энергии
• Матрешечные мозги — слоеные сферы Дайсона для превращения звезд в массивные компьютеры с использованием энергии, выделяемой всеми звездами
• Миры-кольца — искусственные планеты, использующие целую звезду

Вариантов много. Осталось только их придумать и разработать. Предложите свои? Начните в нашем чате в Телеграме.

Источник

Как работают солнечные батареи

Cолнце есть и будет всегда! Возможно, это слишком смелое заявление, но это действительно так. По крайней мере, с точки зрения человечества. Пусть оно и взорвется через сколько-то там миллионов лет, но к тому времени мы уже покинем эту планету или сами, или в виде кучки пепла, которую развеет в космосе очередной огромный камень, налетевший на наш голубой шарик. Именно из-за такой стабильности Солнца его можно и нужно использовать для получения энергии. Люди уже давно научились это делать и сейчас продолжают совершенствовать технологии солнечной энергетики. Но как же работают солнечные панели, батареи и вообще, как можно превратить свет в электричество внутри розетки?

Солнечные панели позволяют сделать электричество чуть ли не бесплатным.

Когда появились солнечные батареи

Солнечные батареи были изобретены достаточно давно. Впервые эффект преобразования света в электричество был обнаружен Александром Эдмоном Беккерелем в 1842 году. Для создания первых прототипов потребовалось почти сто лет.

В 1948 году, а именно 25 марта, итальянский фотохимик Джакомо Луиджи Чемичан смог сделать то, что мы теперь используем и развиваем. Спустя 10 лет в 1958 году технология впервые была опробована в космосе в качестве элемента питания американского спутника, названного ”Авангард-1”. Спутник был запущен 17 марта, а уже 15 мая того же года это достижение повторили в СССР (аппарат ”Спутник-3”). То есть технологи начала массово применяться в разных странах почти одновременно.

Использование солнечных панелей в космосе — обычная практика.

Подобные конструкции применяются в космосе до сих пор, как важный источник энергии. А еще их используют на Земле для обеспечения энергией домов и даже целых городов. А еще их начали встраивать в гражданские электромобили для обеспечения большей автономности.

Вообще, важность подобных элементов невозможно переоценить. Только так можно добиться получения энергии в любой точке планеты. Гидроэнергетика, атомные станции, ветряки и тому подобные системы могут быть размещены только в определенных местах, стоят очень дорого или требуют соответствующей инфраструктуры. И только солнечные панели позволяют построить дом в пустыне и электрифицировать его. За относительно небольшие деньги. На «ветряк» их точно не хватит.

Как работают солнечные панели

Стоит немного уточнить, что понятие ”солнечная батарея” не очень правильное. Точнее правильное, но не имеющее отношение к тем системам питания, о которых мы говорим. Батарея там обычная, но получает энергию от солнечных панелей, которые преобразуют в электричество свет солнца.

В основе солнечной панели лежат фотоэлектрические ячейки, которые помещены внутрь общей рамы. Для создания таких ячеек чаще всего используется кремний, но возможно использование и других полупроводников.

Энергия вырабатывается в тот момент, когда на полупроводник попадают солнечные лучи и нагревают его. В результате этого внутри полупроводника высвобождаются электроны. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться более упорядоченно, что и приводит к появлению электрического тока.

Примерно так выглядит солнечная панель.

Для того, чтобы получить электричество, надо подключить контакты к обеим сторонам фотоэлемента. В результате этого он начнет питать электричеством подключенный потребитель или просто заряжать батарею, которая потом будет отдавать электричество в сеть, когда это понадобится.

Основной упор на кремний делается из-за его кристаллических особенностей. Впрочем, в чистом виде кремний сам по себе является плохим проводником и для изменения свойств к нему делается крайне малое количество примесей, которые улучшают его проводимость. В основном в число примесей входит фосфор.

Как полупроводники вырабатывают электричество?

Полупроводник является материалом, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо их не хватает (p-тип). То есть полупроводник состоит из двух слоев с разной проводимостью.

В качестве катода в такой схеме используется n-слой. Анодом является p-слой. То есть электроны из первого слоя могут переходить во второй. Переход происходит за счет выбивания электронов фотонами света. Один фотон выбивает один электрон. После этого они, проходя через аккумулятор, попадают обратно в n-слой и все идет по кругу.

Когда энергия выработана, все начинается по кругу, а свет всегда горит.

В современных солнечных панелях в качестве полупроводника используется кремний, а начиналось все с селена. Селен показал крайне низкий КПД — не более одного процента — и ему сразу стали искать замену. Сейчас кремний в целом удовлетворяет требования промышленности, но есть у него и один существенный минус.

Обработка и очистка кремния для приведения его к тому виду, в котором его можно будет использовать, является достаточно затратной процедурой. Чтобы снизить стоимость производства, проводят эксперименты с его альтернативами — медью, индием, галием и кадмием.

Эффективность солнечных панелей

Есть у кремния еще один минус, который не так существенен, как стоимость, но с которым тоже надо бороться. Дело в том, что кремний очень сильно отражает свет и из-за этого элемент вырабатывает меньше электричества.

Даже повесив столько панелей, все равно надо обеспечивать их нормальную работу. В том числе бороться с отражением света.

Для того, чтобы уменьшить такие потери, фотоэлементы покрывают специальным антибликовым покрытием. Кроме такого слоя, надо использовать и защитный слой, который позволит элементу быть более долговечным и противостоять не только дождю и пыли, но даже падающим веткам небольшого размера. При установке на крыше дома это очень актуально.

Солнце -сила! Ее надо использовать!

Несмотря на общую удовлетворенность технологией и постоянную борьбу за улучшение показателей, современным солнечным панелям все равно есть куда стремиться. На данный момент массово производятся панели, которые перерабатывают до 20 процентов попадающего на них света. Но есть и более современные панели, которые пока ”доводятся до ума” — они могут перерабатывать до 40 процентов света.

А вообще, солнечная энергетика это круто! И помните, даже при таком «пАлящем» солнце система будет работать.

Источник