Беспроводная передача энергии солнечной энергии из космоса
Солнечная энергия из космоса является следующей границей сбора энергии. Но как мы получаем энергию из космоса обратно на Землю »// www.allaboutcircuits.com/news/an-introduction-to-harvesting-solar-energy-from-space/" target = "_ blank"> предыдущая статья, Я объяснил концепцию сбора солнечной энергии из космоса с помощью SSPS (Space Solar Power System). Одной из основных проблем, связанных с этой технологией, является способность переносить собранную энергию на Землю.
В этой статье мы рассмотрим два основных жизнеспособных метода передачи энергии космос-Земля: лазеров и микроволн. Мы также кратко обсудим гибридный подход, сочетающий лазерную и микроволновую передачу.
Безопасность беспроводной передачи энергии
В предлагаемых конструкциях лазерные лучи будут работать на защищенных от кожи и глаз длинах волн с интенсивностью, сравнимой с нормальным воздействием солнца, а интенсивность микроволнового излучения будет примерно на одну шестую от интенсивности солнечного света в полдень. Работа на этих уровнях гарантирует, что любой режим передачи будет безопасным для людей, животных и растений.
Космическая солнечная энергия
Системы лазерного луча и СВЧ-системы в настоящее время являются наиболее перспективными технологиями для беспроводной передачи мощности на большом расстоянии от спутника на орбите до поверхности Земли. Эти два метода отличаются по размеру, режиму работы, эффективности и стоимости.
Беспроводная силовая передача с лазерным лучом
В технике беспроводной передачи лазерного луча лазерный луч посылает концентрированный свет на приемник фотоэлектрических элементов через вакуум пространства и атмосферы. Приемник преобразует энергию обратно в электричество через эти шаги:
- Мощность постоянного тока, собранная в пространстве, используется для генерации одиночного светового (монохроматического) светового пучка.
- Набор оптики формирует лазерный луч в соответствии с требуемым размером луча.
- Система управления гарантирует, что лазер направлен на предполагаемый участок приемника на Земле.
Режим работы фотоэлектрического приемника аналогичен режиму сбора солнечной энергии, при котором солнечный свет, падающий на солнечные батареи, вырабатывает электричество. Однако этот метод использует высокоинтенсивные лазерные лучи на специализированных фотогальванических элементах и обеспечивает более высокую эффективность, чем то, что в настоящее время возможно с солнечными батареями. Зеркала и телескопы могут использоваться для прицеливания лазерного луча на любой приемник непосредственно под спутником с беспрепятственным каналом передачи прямой видимости.
Преимущества лазерной передачи лучей
- Не мешает телевидению, радио, Wi-Fi, мобильному телефону и другим коммуникационным сигналам
- Требуется меньшее передающее и приемное оборудование по сравнению с СВЧ-передачей. (Например, установка 1GW потребует около передающей оптики диаметром 1 метр и наземного приемника длиной в несколько сотен метров).
Недостатки передачи мощности лазерного луча
- Страдает от атмосферных потерь из-за факторов окружающей среды, таких как дождь и облака, и, следовательно, не может обеспечить непрерывную мощность
- Обладает низкой эффективностью преобразования
- Может потребоваться огромная система хранения аккумуляторов на земле
- Несет риск повреждения кожи и глаз, если плохо управляется
Микроволновая беспроводная передача энергии
Микроволновая система передачи энергии состоит из источника радиочастотной энергии, передающей антенны, среды передачи или канала и выпрямляющей антенны, обычно называемой rectenna. Процесс передачи включает:
- Преобразование мощности постоянного тока из солнечных элементов в микроволновую (RF) энергию
- Генерация и концентрация СВЧ-лучей, которые могут быть направлены на фиксированные местоположения, соответствующие приемникам на поверхности Земли
- Сбор радиочастотной энергии и преобразование в электричество на приемной станции
Изображение возможной космической солнечной энергетической системы. Изображение предоставлено блоком Национального космического общества
Солнечные батареи, подключенные к типичному спутнику, генерирующему 1, 6 ГВт в пространстве, и в среднем 1 ГВт на Земле, будут измерять около 5-6 квадратных километров и использовать передающую антенную решетку диаметром около 1 км. Большая матрица передатчика гарантирует, что передаваемый луч будет иметь низкую дивергенцию, а более низкая расходимость пучка означает, что радиочастотная энергия будет более пространственно сконцентрирована, когда она достигнет поверхности Земли.
Прямоугольник состоит из массива дипольных антенн с быстродействующими диодами на дипольных элементах. Микроволновая энергия индуцирует переменный ток в антеннах. Затем он выпрямляется диодами для создания постоянного напряжения, которое может включать в себя устройства постоянного тока или преобразоваться в переменный ток с помощью инвертора. Диоды Шоттки предпочтительнее из-за низкого падения напряжения в прямом направлении, что уменьшает рассеивание мощности и быстрые скорости переключения.
Одна из наиболее эффективных частот для СВЧ-лучей составляет 2, 45 ГГц. Эта частота расположена в диапазоне ISM, позволяет использовать недорогие силовые компоненты и не испытывает значительного затухания от газов или влаги в атмосфере.
В приведенной ниже таблице перечислены различные детали для четырех различных систем солнечной энергии:
Важные характеристики четырех космических систем солнечной энергии
Преимущества микроволновой беспроводной передачи энергии
- Преимущества высокотехнологичной микроволновой технологии, способной достигать эффективности до 85%
- Достигает более низкого атмосферного затухания
Недостатки микроволновой беспроводной передачи энергии
- Требуется управление потерянной энергией при конверсии DC в микроволны
- Может вызвать радиопомехи
- Требуется большое передающее и приемное оборудование
Гибридная беспроводная система беспроводной связи с лазерной и микроволновой передачей
Каждый из двух беспроводных методов передачи энергии, основанных на микроволновой и лазерной системах, имеет свои преимущества и недостатки. Стремясь разработать оптимальную систему, некоторые исследователи считают гибридный подход.
В такой системе лазер передавал бы мощность от солнечной батареи на орбитальную базовую станцию (платформу фотогальванической решетки). Базовая станция преобразует энергию от лазера в электричество, а затем в микроволновое излучение, которое передается на приемную станцию на Земле. Таким образом, лазерный луч используется там, где он не испытывает значительного затухания из атмосферы, тогда передача переходит в микроволновое излучение, которое гораздо меньше подвержено атмосферному затуханию.
Вывод
Японское агентство аэрокосмических исследований надеется создать коммерческую космическую систему солнечной энергии в течение 25 лет. Только время покажет, является ли это достижимой целью. Технологические и экономические проблемы, стоящие перед космической солнечной энергией, далеко не тривиальны, и все три предложенных метода потребуют много исследований и испытаний, прежде чем станут возможными решениями для крупномасштабной энергетики. Но история показывает, что люди могут совершать удивительные вещи, когда присутствует достаточная мотивация.