Космическая энергетика

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет технологический 

Кафедра прикладной экологии

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Производство альтернативных источников энергии»

на тему: «Космическая энергетика»

 

 

 

Выполнил: студент гр.БОС-11-01                                                    Л.И.Салимова

Проверил: доцент кафедры ПЭ                                                        Л.А.Насырова

 

 

 

 

УФА 2012

Содержание

 

Введение                                                                                                                 3

1 Развитие космической энергетики                                                                    4

   1.1 Хронология развития космической энергетики                                         4                                                                                                                  

   1.2 Космическая энергетика-энергетика будущего                                         6

   1.3 Развитие в России                                                                                         9

2 Технологии применяющиеся в космической энергетике                              14

   2.1 Беспроводная передача энергии на Землю                                               14

   2.2 Преобразование солнечной энергии в электрическую                             15

   2.3 Получение энергии от СВЧ волн испускаемых спутником                     15

   2.4 Лунный пояс                                                                                                  16  

   2.5 Преимущества и недостатки солнечной энергии на Земле против        17    космической

Заключение                                                                                                           18

Список использованных источников                                                                 19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

       Современная цивилизация пока не умеет эффективно получать и преобразовывать энергию. Несовершенство технологий и техники приводит к прогрессирующему загрязнению всех сфер окружающей среды и к приближению глобальной экологической катастрофы. Наибольший экологический урон планете наносят энергетика и транспорт, в частности, космонавтика. Топлива на планете ограниченное количества, но его требуется для выработки требуемой энергии все больше. Вследствие низкой эффективности энергетики и транспорта возрастает и объем отравляющих токсичных веществ.

          Выход из энергетического и экологического тупика состоит в поиске и создании новой экологически чистой энергетики и качественно новых чистых безотходных технологий получения и преобразования энергии. Лучший учитель для цивилизации - сама Природа, точнее, ее экологическое и энергетическое совершенство. По сути, человечество постоянно учится у Природы, потому что она совершенна. Сначала учились добывать огонь, а вот теперь учимся добывать чистую энергию и электричество. Так будет всегда. И чем более глубоко познается Природа планеты, тем больше возможностей открывается для создания более совершенных экологически чистых источников энергии, в частности, для космонавтики и не только для нее.

        Таким образом, главной целью данной работы является ознакомление и изучение космической энергетики и ее развитие, в связи с чем можно выделить основные задачи:

• Рассмотреть КЭС с экономической и экологической стороны;
• Изучить возможные технологии;
• Сделать вывод по проделанной работе.

 

 

1 Развитие  космической энергетики

 

1.1 Хронология развития космической энергетики

 

 

1968: Питер Глейзер представил идею больших солнечных спутниковых систем с солнечным коллектором размером в квадратную милю на высоте геостационарной орбиты (ГСО 36000 км над экватором), для сбора и преобразования энергии солнца в электромагнитный пучок СВЧ для передачи полезной энергии на большие антенны на Земле.

1970: Министерство энергетики США и NASA рассмотрело проектирование и технико-экономических обоснование спутника Solar Power Satellite (SPS).

1973: Питер Глейзер получил патент США номер 3781647 за его метод передачи мощности на большие расстояния (например, от спутника на поверхность Земли) с помощью микроволн от больших антенн на спутнике на ректенны на Земле.

1994: ВВС США проводят эксперимент с использованием расширенных Фотоэлектрических спутников запущенных на низкую орбиту Земли с помощью ракеты.

1995-1997: NASA провело исследование космической солнечной энергии, её концепции и технологий.

1998: Космическое агентство Японии начинает программу развития космической солнечной электрической системы, которая продолжается и по сей день.

1999: Началась программа NASA космическая солнечная энергия.

 

2000: Джон Манкинс NASA дал показания в палате представителей США, говоря: "Крупномасштабное солнечная спутниковая система является очень сложной интегрированной системой и требует многочисленных значительных достижений в области современных технологий. Был разработан технологический план, в котором определен алгоритм разработки всех необходимых технологий — в течение нескольких десятилетий.

2001: Космическое агентство Японии объявило о планах провести дополнительные исследования и запуск экспериментального спутника с 10

киловатт и 1 МВт мощности.

2009: Японское агентство аэрокосмических исследований объявило о своих планах вывести на орбиту спутник солнечной энергии, которые будут передавать энергию на Землю с помощью микроволн. Они надеются вывести первый прототип орбитального спутника к 2030 году.

2009: Компания Solaren расположенная в Калифорнии (США) подписала договор с компанией PG&E о том, что последняя будет покупать энергию которую Solaren произведет в космосе. Мощность будет составлять 200 мегаватт. По плану этой энергией будут питаться 250 000 домов. Реализация проекта планируется на 2016 год.

2010: Компания Shimizu опубликовала статью в которой рассказывается о возможностях создание гигантской лунной энергетической станции на существующих сегодня технологиях.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2  Космическая энергетика – энергетика будущего

 

          Может ли энергоснабжение, получаемое от космических источников энергии решить все энергетические проблемы человечества? Специалисты компании Boeing и агентства NASA разрабатывают проект солнечной энергостанции космического базирования. Этот проект имеет название SBSP ( Space-Based Solar Power ) и представляет из себя по задумкам создателей сеть энергетических спутников, расположенных на геосинхронных орбитах. Эти спутники утилизируют получаемую солнечную энергию и передают ее вниз, на поверхность Земли в виде микроволнового излучения.

По сравнению с солнечными энергетическими установками, расположенными на поверхности планеты, установки  космического базирования имеют  целый ряд несомненных преимуществ. Первое, и самое главное, преимущество заключается в непрерывности действия подобной установки, получаемой за счет постоянного облучения установки солнечными лучами. Дополнительными преимуществами является полная независимость от погодных условий на поверхности планеты и угла наклона оси планеты.[3]

Рисунок 1 - энергетический спутник

Конечно, при практической реализации этой системы в жизнь  возникает целый ряд проблем. Первая проблема связана с габаритными  размерами антенны, передающей энергию на поверхность Земли. Исследователи просчитали, что при передаче энергии микроволнами с частотой 2.45 ГГц диаметр передающей антенны будет близок к одному километру. При этом диаметр принимающей энергию области на поверхности Земли должен составлять не менее 10 километров.

 

Рисунок 2 – схема передающей антенны

 

Еще не до конца изучен вопрос о КПД при передаче энергии  из космоса на Землю, но это вопрос не вызывает у исследователей больших  волнений. На Земле были уже успешно  проведены эксперименты по беспроводной передачи энергии на большие расстояния. В ходе одного из таких экспериментов была достигнута передача энергии на расстояние около 150 километров, что является значением близким к расстоянию от энергетического спутника до поверхности Земли.

          Главное препятствие для начала реализации системы SBSP в жизнь это сумма денежных затрат необходимых для ее построения и вывода в околоземное пространство. Но, в нынешнее время ведутся работы по разработке и внедрению ракет-носителей нового типа SpaceX''s Falcon 9.[3] Применение таких ракет-носителей позволит существенно снизить затраты на вывод в космос компонентов системы SBSP, и сделает этот проект ближе к реальности.

        Представители организаций, занятых в работах над этим проектом, полны оптимизма. Они утверждают, что в случае начала финансирования программы в 2009 году, первый результат можно будет получить уже в 2017 году. Этим результатом будет запуск одного экспериментального энергетического спутника мощностью 100 МВт. Следующим шагом будет запуск на орбиту комплекса из пяти спутников, общей мощностью более 20 ГВт. Этот этап, по планам, может быть реализован уже в 2020 - 2025 годах.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Развитие в России

 

В недалеком будущем  на развитие цивилизации будет влиять ряд новых факторов, которые ранее  не обнаруживали себя в явной форме и которые имеют внутренние и внешние причины.

 К внутренним причинам  относятся: рост численности населения  Земли, которое согласно научным  прогнозам может достигнуть к  конц XXI века 12 млрд человек и приблизиться  к предельному значению (15…20 млрд человек). Энергопотребление современной цивилизации постоянно увеличивается. Это касается всех сторон жизни человечества: промышленности, транспорта, сельского хозяйства, обеспечения все более разнообразных потребностей людей; бурное экстенсивное развитие энергетики, базирующейся в основном на углеродном и углеводородном топливе (нефть, газ), и, в особенности, опережающее развитие наземного транспорта приводят к изменению климата. В настоящее время энергопотребление по первичным источникам энергии (уголь, нефть, газ, атомная энергия, гидроэнергетика) составляет 16 ТВт. Если использовать существующие технологии, то при темпах роста 1,5 % в год через 100 лет может приблизиться к 100 ТВт - предельному экологическому значению, которое может выдержать биосфера планеты.

 К внешним причинам  относятся: регулярное падение  на Землю крупных метеоритных  и кометных фрагментов. Фрагменты  типа "Тунгусский метеорит" (диаметром  около 100 м и массой примерно 233 тыс. тонн) падают на Землю  с периодичностью один раз в 100 лет. Такая катастрофа создает на площади 60 х 60 км поражающий эффект, аналогичный взрыву боеприпаса с тротиловым эквивалентом 15 Мт (атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, имела тротиловый эквивалент 0,02 Мт). Космическое тело, угодившее не так давно в Юпитер, вызвало взрыв, объем облака которого сравним с объемом нашей планеты. "Космическая опасность" - угроза абсолютно реальная и вовсе не исчерпывается опасностью, генерируемой одними странами Земли в отношении других через околоземное космическое пространство.[1]          Периодичность изменения положения магнитных полюсов Земли каждые 200 тыс. лет. По прогнозам ученых ближайшая перемена мест Северного и Южного магнитных полюсов произойдет примерно через 2000 лет. Магнитное поле Земли на какой-то период времени исчезнет, и Земля лишится магнитной защиты от ионизирующей радиации, которая обусловлена солнечными вспышками и галактическим излучением. Защита цивилизации от такого катаклизма потребует некоего технического решения, проработкой которого целесообразно заняться уже сегодня.

 Всю совокупность  сформулированных выше проблем  объединяет тот факт, что для  их решения человечество нуждается  в альтернативных источниках  энергии, существенно отличающихся  от используемых в настоящее  время.

     Поиски экологически чистой энергетики приводят к пониманию необходимости переноса производства наиболее энергоемких и экологически опасных материалов, и в том числе выработки электроэнергии, в космос с дистанционной передачей ее на Землю. О такой перспективе говорил еще в 1928 г. Константин Эдуардович Циолковский в работе "Будущее Земли и человечества": "Солнечная энергия - главное, только мы не умеем ею пользоваться…Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом".[1]

 Разрабатываемая в России концепция глобальной космической системы производства энергии опирается на следующие принципы: глобальное, региональное, местное энергообеспечение является общепланетной социально-политической проблемой; управление экологической безопасностью должно осуществляться на основе космического мониторинга с использованием "зеленых" тарифов за энергию, которые должны учитывать социальную значимость энергоносителя; государства должны наладить поддержку развития возобновляемых источников энергии (гидротехника, солнечные и ветровые генераторы, приливные морские электростанции) с оптимизацией регионального и местного состава таких источников энергии; долю электроэнергии, производимой на атомных станциях, необходимо оптимизировать; следует определить оптимальное сочетание энергетики наземного и космического базирования; для выработки, аккумулирования, передачи энергии и устранения негативных последствий роста энергообеспечения населения следует использовать авиационно-космические технологии (как наиболее развитые).