Современный мир развивается день ото дня все более быстрыми темпами, а солнечная энергетика может в этом помочь. Перспективы солнечной энергетики важны для каждой страны, так как скорость потребности в электроэнергии увеличивается.
Несмотря на то, что существует множество способов производства электроэнергии, такие как геотермальная, ядерная, тепловая энергия, гидроэнергия, приливная и т. д., но они имеют некоторые недостатки.
Например, атомная электростанция подвергает окружающий мир вредному излучению и отходам, которые являются токсичными для человека и других живых организмов.
Когда мы берем тепловую электроэнергию, то начальная стоимость этой энергии высока, то есть нужно большое количество угля или газа для производства электроэнергии. Гидроэлектростанция потребует строительство плотин, а также наличие воды, без которой мы не можем производить электричество.
Нынешняя солнечная энергетическая система имеет некоторые недостатки, такие как её отсутствие в ночное время.
Спутник в космосе может получать солнечную энергию все 24 часа полную неделю даже 365 дней в году.
Если солнечные лучи достигающие спутника преобразовать в ток и передать на Землю перспективы солнечной энергетики возрастут многократно.
Важность разработки чистых источников энергии
Одной из основных проблем, стоящих перед планетой Земля является обеспечение адекватного снабжения чистой энергией.
Сейчас люди сталкиваются с тремя одновременными вызовами: рост населения, потребление ресурсов и деградация окружающей среды — все сходятся в вопросе устойчивого энергоснабжения. Широко распространено мнение о том, что наша нынешняя энергетическая практика не обеспечит все народы мира адекватным образом пригодной для жизни средой.
Таким образом, одной из главных задач нового столетия станет разработка устойчивых и экологически чистых источников энергии.
Прогнозы роли электричества в течение этого нового столетия показывает увеличение потребления тока по меньшей мере в два с половиной раза, а возможно, и в пять раз. Все сценарии указывают на продолжающееся использование ископаемых источников, ядерных и крупных гидроэнергетических установок. Однако наибольший прирост приходится на «новые возобновляемые источники энергии», и все сценарии показывают широкое использование этих источников к 2050 году. Действительно, прогнозы показывают, что объем энергии, получаемой из новых возобновляемых источников энергии к 2050 году превысит объем энергии, получаемой в настоящее время за счет нефти и газа вместе взятых. Это означало бы крупную в мире энергетическую инфраструктуру. Это будет Геркулесова задача, чтобы получить это прогнозируемое количество энергии. Утверждается, что на самом деле существует лишь несколько хороших вариантов удовлетворения дополнительных энергетических потребностей нового века экологически приемлемым способом.
Одним из так называемых новых возобновляемых источников энергии, на которые почти наверняка будет оказана большая опора, являются перспективы солнечной энергетики.
Энергия от Солнца
Солнечная энергия, захваченная на Земле, знакома всем. Однако альтернативным подходом к использованию солнечной энергии является захват ее в космосе и передача на Землю и передача электроэнергии без проводов. Как и в случае с наземным захватом, космическая солнечная энергия обеспечивает источник, который практически не содержит углерода.
Как будет описано ниже, платформы для сбора энергии, скорее всего, будут работать на геосинхронной орбите, где они будут освещаться 24 часа в сутки (за исключением коротких периодов затмения во время равноденствий). Таким образом, в отличие от систем земного захвата солнца, космическая система не будет ограничена причудами цикла день-ночь. Кроме того, если частота передачи выбрана правильно, то подача энергии на Землю может осуществляться практически независимо от погодных условий. Таким образом, перспективы солнечной энергетики в обеспечении базовой нагрузки электричеством.
Начиная с 1967 года, спутники Солнечной энергии пытаются собирать солнечную энергию в космосе и передавать ее на Землю.
С энергетическим кризисом начала 1970-х годов всерьез рассматривалась как альтернатива производству электроэнергии из ископаемых видов топлива (в 1970-е годы нефть, газ и уголь использовались для производства значительной части электроэнергии). С увеличением мирового спроса на электроэнергию, а также растущей озабоченностью по поводу городского смога и парникового эффекта, снова привлекает основной интерес сбор солнечной энергии из космоса.
Солнечное излучение может быть более эффективно собрано в космосе, где оно примерно в три раза сильнее, чем на поверхности Земли, и его можно собирать 24 часа в сутки (поскольку на высокой околоземной орбите нет облаков или ночи). Солнечная энергия из космоса может быть транспортирована к зонам с самым высоким требованием в любое определенное время.
Большинство из этих систем будут использовать фотоэлектрические элементы, аналогичные тем, которые используются в системах на Земле (например, в домашних солнечных батареях и дорожных знаковых панелях). Другие будут использовать отражатели и механические коллекторы, аналогичные тем, которые используются в специальных крупномасштабных солнечных установках во Франции и Калифорнийской пустыне (Барстоу). Некоторые фотоэлектрические системы также используют отражательные концентраторы.
Большинство из этих систем собирают солнечную энергию в космосе и передают ее через луч микроволновой энергии к земной антенне, которая преобразует луч в электричество для использования на Земле.
Микроволновые лучи имеют довольно низкую длину волны (ниже, чем видимый свет) и, по-видимому, не представляют никакой опасности для атмосферы Земли. На самом деле, телефонные компании излучают микроволны через атмосферу в течение более чем тридцати лет без каких-либо известных проблем.
Высокие стартовые расходы являются самым большим препятствием для развития передачи солнечной энергии из космоса. Однако растущий спрос на электроэнергию может превысить традиционные производственные возможности, что приведет к повышению цен до уровня, когда будет конкурентоспособна солнечная энергия из космоса. Если будут введены ограничения на производство электроэнергии путем сжигания угля (в целях сокращения загрязнения), солнечная энергия из космоса может стать конкурентоспособной еще раньше.
Четыре основных шага в перспективной солнечной энергетике:
- Захват солнечной энергии в космосе и преобразование ее в электричество.
- Преобразование её в радиочастоту и передача на Землю.
- Получение радиочастотных волн на Земле и преобразование их в электричество.
- Обеспечение электроэнергией коммунальных сетей с помощью перспективной солнечной энергетики.
Использование фотоэлектрических элементов делает преобразование солнечной энергии в электрическую энергию вполне реализуемым. Существуют различные типы фотоэлектрических элементов. Монокристаллический кремний является одним из типов фотоэлектрических элементов, который образован легированной пластиной, сформированной из монокристалла. Хотя он имеет хорошую эффективность, он менее используется из-за фактора расхода, который возникает из-за необходимости высокого качества кремния. Своим последователем будет поликристаллический кремний в меру эффективности относительно небольшой ценой. Арсенид галлия наиболее часто используется из-за высокой эффективности по сравнению со всеми другими типами.
Другим способом перспективы солнечной энергетики возможны динамические ячейки, которые используют солнечные концентраторы для концентрации на механическом тепловом двигателе (не фотоэлектрическом). Но они дороги и требуют более высокого обслуживания. Это техническое решение не подходит для небольших применений, но имеет высокую эффективность преобразования порядка 30% и выше.
Развитие любого существенного источника энергии требует выделения значительных финансовых инвестиций, технических навыков и т.д. Эксплуатация космической солнечной энергии потребует всего этого, плюс уникальности технических решений. Системы, скорее всего, будут работать на геосинхронной орбите. Эта орбита находится на такой высоте, что платформа кажется неподвижной над определенной точкой на поверхности Земли. В результате эта конкретная орбита является весьма желательной для сориентирования на Землю.
Передача солнечной энергии на Землю
Солнечная энергия со спутника передается на Землю с помощью микроволнового передатчика через космос и атмосферу и принимается на земле антенной, называемой ректенной. Ректенна –нелинейная антенна предназначенная для преобразования энергии поля падающей на неё волны.
Лазерная передача
Последние разработки предлагают использовать лазер с помощью недавно разработанных твердотельных лазеров, позволяющих эффективно передавать энергию. В течение нескольких лет может быть достигнут диапазон от 10% до 20% эффективности, но дальнейшие эксперименты все еще требуют учета возможных опасностей, которые это может вызвать для глаз.
СВЧ
По сравнению с лазерной передачей СВЧ-передача более развита, имеет более высокую эффективность до 85%. СВЧ лучи значительно ниже летальных уровней концентрации даже при длительном воздействии. Так микроволновая печь СВЧ с частотой 2.45 ГГц микроволновой волны с определенной защитой совершенно безвредна. Электрический ток, генерируемый фотоэлектрическими элементами, пропускается через магнетрон, который преобразует электрический ток в электромагнитные волны. Эта электромагнитная волна проходит через волновод, который формирует характеристики электромагнитной волны. Эффективность беспроводной передачи энергии зависит от многих параметров.
Для приема этих передаваемых волн на Земле устанавливаются ректенны. Это антенна, содержащая сетку диполей и диодов для поглощения микроволновой энергии от передатчика и преобразования ее в электрическую энергию. Микроволны принимаются с эффективностью около 85%, и 95% луча будет падать на ректенну, но ректенна составляет около 5 км в поперечнике. В настоящее время рассматриваются два различных типа — отражатель из проволочной сетки и ковер-самолет.
Проблемы
Разработка и внедрение любого нового перспективного источника энергии сопряжены с серьезными проблемами. И признается, что использование космической солнечной энергии на Земле может быть особенно сложным ввиду принципиального отличия.
Основные проблемы воспринимаются как:
- Несоответствие с традиционными энергетическими ресурсами.
- Тот факт, что космическая мощь по своей сути глобальна и требует корпоративных моделей, которые дают каждому игроку подходящую долю и адекватные гарантии.
- Возможность возникновения опасений по поводу надежности, безопасности и экологических последствий.
- Необходимость получения больших ресурсов, выделяемых государством.
- Преобладающий менталитет, который склонен рассматривать будущую энергетическую инфраструктуру как экстраполяцию нынешней.
Как бы ни были велики проблемы, важно развивать перспективы солнечной энергетики, чтобы они работали на благо всех народов Земли. Утверждается, что благоразумным было бы уделить серьезное внимание всем возможным вариантам и подготовиться к осуществлению нескольких из них. Хорошо известно, что нечто столь обширное, как глобальная солнечная энергетическая система, может изменяться медленно.
На самом деле, требуется от 50 до 75 лет, чтобы один источник утратил доминирующее положение и был заменен другим. Даже если будет признано и согласовано, что необходим переход к другим источникам, переход к другим электрическим сетям будет медленным.
Временной горизонт для реализации перспективной космической солнечной энергетики составит не менее пары десятилетий. Текущая работа указывает на то, что демонстрация передачи энергии из космоса на Землю может произойти в начале следующего десятилетии, а первоначальная коммерческая поставка энергии-примерно через 20 лет. Очевидно, что для внесения значительного вклада в мировую энергетику потребуется значительно больше времени.
Проблему, связанную с этим несоответствием, можно решить двумя способами:
- Во-первых, правительствам необходимо будет в значительной степени финансировать опытные работы (НИОКР), необходимые для доведения до зрелости соответствующих технологий. Правительства традиционно поддерживают усилия в области НИОКР в качестве стимула для перспективы солнечной энергетики. Примеры можно найти в развитии систем железнодорожного и воздушного транспорта, компьютеров, интернета.
- Во-вторых, следует поощрять краткосрочное участие потребителей (электроэнергетических компаний и их поставщиков). Это очень важно для этих потенциальных пользователей, чтобы быть в курсе прогресса, как технология созревает.
Глобальный охват перспективной солнечной энергетики будет представлять собой еще одну серьезную проблему с точки зрения соответствующих моделей предприятий, которые дают каждому игроку соответствующую долю и адекватные гарантии. Международное сотрудничество в области энергетики является обычным явлением, и действительно, энергетическая инфраструктура во всем мире очень взаимозависима. Приобретение, распределение и использование энергии, как правило, связаны с несколькими странами и разветвленными сетями, по которым протекают различные формы энергии. Аналогичным образом международное сотрудничество играет важную роль в крупных космических проектах, примером которых, безусловно, могут служить перспективы солнечной энергетики.
Короче говоря, есть несколько причин для международного сотрудничества. Наиболее убедительными являются:
- Потребность в увеличении поставок энергоносителей является глобальной потребностью.
- Воздействие на окружающую среду нынешней энергетической практики вызывает озабоченность во всем мире.
- Международная координация в области энергоснабжения является общей сегодня, и взаимозависимость будет только расти в будущем.
- Необходимая технология широко распространена, и ни одна страна не обладает всеми возможностями.
- Большие масштабы космической солнечной энергетики потребуют международного финансирования.
Достоинства перспективной космической солнечной энергетики:
- Энергия доставляется в любую точку мира.
- Нулевая стоимость топлива.
- Нулевые выбросы CO2.
- Минимальное долгосрочное воздействие на окружающую среду.
- Солнечное излучение может быть более эффективно собрано в космосе.
Ущерб:
- Затраты на запуск.
- Капитальные затраты даже с учетом дешевых пусковых установок.
- Потребуется сеть из сотен спутников.
- Возможные опасности для здоровья.
- Размер антенн и ректенн.
- Геосинхронные спутники будут занимать большие участки пространства.
- Помехи для спутников связи.
Выводы
Нет никаких сомнений в том, что в ближайшие десятилетия энергоснабжение должно быть резко увеличено. Кроме того, представляется почти несомненным, что произойдет переход к возобновляемым источникам энергии и что перспективы солнечной энергетики огромны.
Утверждается, что для того, чтобы энергетическая система мира работала на благо всех своих народов и была достаточно устойчивой, необходимо иметь несколько вариантов развития в стремлении к расширению поставок.
Хотя вариант использования космической солнечной энергии в настоящее время может показаться футуристическим, он технологически осуществим и при соответствующих условиях может стать экономически жизнеспособным. Утверждается, что он должен быть одним из тех вариантов, которые будут активно использоваться в предстоящие десятилетия. Задачи по внедрению космической солнечной энергетики значительны, но тогда никакое крупное расширение энергоснабжения не будет легким. Космические, энергетические и другие сообщества должны энергично решать эти проблемы.
Наконец, следует подчеркнуть, что если мы не сумеем разработать устойчивые и чистые источники энергии и попытаемся прихрамывать, экстраполируя существующую практику, то результатом этого, скорее всего, будет срыв развития экономических возможностей для многих людей Земли и, почти наверняка, неблагоприятные изменения в окружающей среде планеты.
