Китайская космическая электростанция

19.02.2019 Только появилась новость, журналюги зашевелись и по лентам твиттеров помчалась горячая копипаста с кричащими заголовками - "Китай начинает строительство собственной электростанции на орбите" , "Китая строит первую космическую электростанцию"В общем, давайте разбираться...

Разумеется, далеко не единственный минус солнечных панелей, так мешающий гуманитариям уже забыть о коптящих трубах, саже и наконец-то произнести заветное: "будущее наступило" - это отсутствие возможности получать солнечную энергию на Земле 24/7/365. 

А как бы было классно, валяться на газоне с расположенным неподалеку прозрачным электрокаром последней модели от великого благодетеля Илона, с корзинкой нарубленных овощей, фруктов и никакого мяса, попивая натуральный морковный сок и тупя в инстаграме на очередную пьяную выходку какой либо кокаиновой светской бляди, а перед газоном футуристический дом, сделанный из переработанного пластика от сахарных банок, но такой стильный, полностью энергонезависимый и автономный, питающийся только от зеленой энергетики. 

Солнечному свету на пути от Солнца до поверхности Земли мешает доходить без потерь куча факторов, такие как облачность, атмосфера, смена дня на ночь, смог, да и само движение Солнца по небосводу, мешает получать лучи под прямым углом к зачастую неподвижным фотоэлементам сориентированным на юг.

- Вот если бы, можно было извлечь панели за пределы атмосферы, да продумать автоматическое ориентирование последних на орбите Земли постоянно на Солнце, тогда можно было бы увеличить получение энергии в разы!!!

Суть сего, пока что испытательного проекта (пилотного), заключается в попытке собрать энергию Солнца, сконвертировать ее в электроэнергию и передать на поверхность Земли наиболее удобным, эффективным и менее затратным способом. Для передачи планируется работать на канале микроволн, полагаю аналогичных тем, что используются в средствах связи с спутниками и МКС (международной космической станции), которые имеют наиболее высокую эффективность проникновения сквозь атмосферу. 

Панели в космосе эффективнее чем на Земле

Но действительно ли, расположенная в космосе установка с орбитой в 36 000 км над уровнем моря будет способна принимать большее количество энергии? Давайте прикинем.

- Средняя солнечная панель МКС, имеет площадь 298 м2 и вырабатывает при освещении Солнцем порядка 32.8 кВт. в среднем 110 Ватт/1м2. 

- На Земле заявленная мощность солнечной панели с площадью 1640 х 992 мм = 1.63 м2, составляет 270 Ватт или 270 / 1.63 м2 = 165 Ватт/м2.... ох уж эти торгаши... Солнечные панели на Земле у них работают лучше чем в космосе. 

Давайте, постараемся найти "неторгашские", а нормальные объективные оценкимощности к площади. И так, панели Sunways FSM100P (4 на 9 блоков) как по тексту в статье, имеют размеры 1020 x 670 мм = 0.683 м2. Полученную мощность от двух панелей считаем через результаты самого продуктивного времени - май месяц, указанные в тексте статьи по ссылке, 19.74 кВт*час. В Мае 744 часа, из них день-ночь /2 = 372 часа. 19.74 кВТ*час/372 часа  = 53 ватта дали две панели. Когда заявленная мощность 1 панели 100 ватт. (две панели 200 ватт). Получаем 53/2  и  26 Ватт / 0.683 м2 = 38 ватт/1м2.

Вот более реалистичные цифры для сравнения эффективности панелей:

В космосе = 110 Ватт/1м2 (400 км над уровнем моря)

На Земле = 38 Ватт/1 м2 (Подмосковье)

Касалось бы, смысл выводить площади фотоэлементов на орбиту есть, так как эффективность возрастает минимум в 2.9 раза, но это в сравнении с северными регионами, например подмосковье РФ пример который был взят из статьи про эффективность двух панелей.

А вот другой вариант, станция в Калифорнии. Тут и солнышка побольше и площади заставленные панелями внушительные. Итого 8 800 000 панелей каждая площадью 0.25 м2 и того 2200 000 м2, в самый пиковый сентябрь выдала 66 531 000 000 Ватт*час. Если в сентябре 720 часов из них день занимает 50% времени тогда 66 531 МВатт*час/360 часов = 184 808 333 Ватт или тогда получается / 2200 000 м2 = 84 Ватт/1м2

Теперь уже 110 Ватт/1м2 полученные в космосе, в сравнении с 84 Ватт/1м2 полученные в пустыне не выглядят так эффективно. 

Орбита

Непонятна и сама орбита в 36 000 км над уровнем моря, для размещения такой станции. Например, геостационарная орбита (ГСО)  в (прим) 56 000 км позволяет разместить аппарат неподвижно относительно точки на планете, что разумеется имеет смысл для дальнейшей передачи энергии в фиксированную точку на планете. Но есть предположение, что станция будет вращаться не в плоскости экватора Земли, а в плоскости прим. 20-30 градусов к нему, таким образом всегда находясь в поле видимости наземных систем приема и Солнца непрерывно, что требует больше скорости вращения чем на геостационарной орбите и соответственно значительно низкую орбиту чем ГСО.

Уже представляю работу приемника, который должен будет позиционироваться на летающую станцию в буквальном смысле ломая себе шею. 

И уже если есть такая орбита, где прямой контакт связи имеется непрерывно, по следующей схеме : Солнце свет - приемник передатчик - Земля приемник. То, космические 110 Ватт/1м2 можно умножить на 2.

Передача энергии на Землю

Вот это уже настоящая фантастика и скорее всего будет не скоро. Передача энергии на 56 000 км, прямой наводкой с помощью лазера или микроволн задача поистине фантастичная. Чтобы понять на каком уровне сегодня находится наука в вопросах передачи энергии без проводов с помощью излучения посмотрите фото и график ниже. 

2008 год. На фото видно две катушки передающую (слева) и приемную (справа) и график из которого понятно что если на расстоянии 75 см передача идет с 95% (5% потерь), то на удалении в 225 см уже 40 % (60% потерь). Ниже фото 2016-2017 год в космосе, аналогичная проверка возможностей передачи энергии в космосе, на МКС.

Но, это сантиметры, в случае случае метры... Но как передать энергию на тысячи километров, да еще с эффективностью более 60%, чтобы это все имело экономический смысл сегодня ответ дать сложно. 

Теоретический можно сделать это с помощью лазера, но у некоторых ученых вроде Андрея Альбертовича Гришаева, есть предположения что лазеры в вакууме работают на пределе передающих возможностей, а следовательно не могут быть использованы в таком применении. Гришаев напрочь отвергает существование квантов света вне материи. Но если даже он не прав. Сомневаюсь что установка которая имеет пусть даже мегаваттную мощность, способная потерять ориентацию пространстве на некоторое время или скажем отклонить свой лазер или микроволновый поток вне области приемника, автоматически становиться серьезным оружием против всего живого в области хода луча, получит свое продолжение. 

подведем итог:

1) Не выгодно. Не выгодно с нынешним уровнем техники доставки грузов в космос.

2) Трудоемко. Всего 500 МВатт приобретаемой мощности от Солнца потребуют минимум 1100 000 м2 площади. Это окружность диаметром 1.1 км, или квадрат со стороной 1.18 км. Как вывезти на орбиту такую ферму или даже по частям собрать ее там? Вопрос.

3) Неизвестная ранее возможность передачи энергии на десятки тысяч километров. 

4) Будет являться объектом двойного назначения (оружие).

С уважением

ссылка на оригинал статьи (раздел "расчеты")

Наш канал в телеграме: engineersaround (юмор, наука, задачки и головоломки)