VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Орбитальная система зеркал для производства электроэнергии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Вопросы энергетической безопасности человечества стоят довольно остро: запасы угля, нефти и газа, а также урана сокращаются. Существуют прогнозы, что через 50-60 лет закончатся запасы газа и нефти, поэтому многие страны занимаются развитием энергетики на неисчерпаемых источниках. Одним из наиболее значимых источников энергии является Солнце. Многие страны, в том числе Россия, активно развивают солнечную энергетику и строят солнечные электростанции.
Цели проекта.
1. Производство электроэнергии в условиях истощения исчерпаемых энер-гетических ресурсов.
2. Развитие экологически чистой энергетики с использованием неисчерпаемого источника энергии - Солнца.
3. Существенное увеличение эффективности солнечных электростанций.
Задачи проекта.
1. Моделирование орбитальной системы зеркал для сбора и перенаправления солнечной энергии на наземные солнечные электростанции.
2. Моделирование работы орбитальной системы зеркал в разное время суток.
3. Изготовление демонстрационной модели орбитальной оптической системы.
Типы солнечных электростанций.
Башенные электростанции.
Этот тип электростанций основан на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров, на её вершине находится резервуар с водой. Этот резервуар покрыт черной краской для поглощения солнечных лучей. В этой башне также находится система насосов, доставляющая пар на турбогенератор, который располагается вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат - зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе управления. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. См. рис.1.
Солнечные электростанции тарельчатого типа
На опоре устанавливается параболическое зеркало. В фокусе параболического зеркала расположен приемник. Приемником может быть двигатель Стирлинга, совмещенный с генератором, либо резервуар с водой, которая превращается в пар, а пар вращает турбину. См. рис.2.
Фотоэлектрические электростанции
Станции на базе фотоэлектрических модулей, т.е. солнечных батарей. См. рис.3.
Однако все типы солнечных электростанций имеют серьезные недостатки:
1. Солнечные электростанции не вырабатывают энергию в ночное время суток.
2. Имеют низкую эффективность по сравнению с традиционными электростанциями.
Предлагаемый мною проект, возможно, решит указанные выше проблемы и позволит широко использовать солнечные электростанции.
Орбитальная система зеркал.
Я предлагаю создать на орбите Земли систему зеркал, которая будет собирать световой поток с больших площадей и освещать принимающие элементы солнечной электростанции, расположенной на Земле, и в ночное, и в дневное время.
Перейдём к более детальному рассмотрению нашего проекта.
Предлагается на орбите Земли создать систему, состоящую из параболических и плоских зеркал. Большое параболическое зеркало Р1 собирает солнечный свет. Размер большого параболического зеркала может быть до 1 кв. км. О возможности построения больших параболических зеркал на орбите Земли будет рассказано позднее в нашем проекте. Далее зеркало Р1 концентрирует солнечный свет и направляет его на малое параболическое зеркало P2. Малое параболическое зеркало отражает концентрированный солнечный свет в виде параллельного пучка [1]. См. рис. 4.
Далее пучок света с помощью плоских зеркал, расположенных также на орбите Земли, перенаправляется в заданное место на Земле. См. рис. 5. Все зеркала - и параболические, и плоские - располагаются на геостационарной орбите Земли: это круговая орбита, которая находится над экватором Земли на высоте 35 756 км. По ней искусственный спутник обращается с угловой скоростью вращения планеты вокруг оси. Поэтому он неподвижно висит в небе над одним и тем же участком Земли.
При этом имеется возможность освещать участки на Земле не только на экваторе, но и в широтах выше и ниже экватора. Исходя из мною собранной действующей модели, я предполагаю, что это могут быть области в диапазоне от 30 º северной широты до 30º южной широты. В этих широтах располагается большое количество стран, самые крупные из которых: Китай, Индия, Бразилия.
Предлагаю рассмотреть работу орбитальной системы зеркал на ночной стороне Земли.
Как видно из рис.6, на ночной стороне Земли в определенном положении орбитальная система зеркал попадает в тень Земли и какое-то время не работает. Для решения этой проблемы вводится дополнительно аналогичная система, состоящая из параболических и плоских зеркал. Дополнительная система освещает необходимый участок земли тогда, когда основная система находится в тени. См. рис.7.
На рисунках 8 и 9 можно увидеть, как работают две системы зеркал на ночной стороне Земли в разные часы.
Предлагаемая нами система зеркал также работает и на дневной стороне Земли, то есть, и в дневное время освещает участок земли, где находятся элементы солнечной электростанции. См. рисунки 10 и 11.
Я предполагаю, что было бы перспективно создание на геостационарной орбите Земли группировки из нескольких параболических и плоских зеркал, освещающих определенный участок на Земле. Это позволило бы многократно увеличить световой поток, падающий на принимающие элементы солнечной электростанции, что значительно бы повысило ее эффективность.
Формирование больших параболических зеркал.
Давайте перейдем к рассмотрению метода формирования больших параболических зеркал на орбите Земли.
Формирование параболических зеркал на орбите Земля планируется с помощью «Центробежных бескаркасных конструкций». В данной конструкции отражающим элементом служат тонкие зеркальные плёнки, толщиной менее 10 мкм.
В СССР разрабатывали «Центробежные бескаркасные конструкции» в РКК «Энергия», в рамках проекта «Знамя». Этот проект был успешно реализован РКК «Энергия» в 1993 году. См. рис. 12.
Ученые Райкунов Геннадий Геннадьевич и др. , участвовавшие в разработке проекта "Знамя", также разрабатывали и бескаркасные параболические зеркала [2]. Смотри Рис. 13.
Основные преимущества бескаркасных параболических зеркал следующие :
• Прогнозируется возможность создания рабочих поверхностей до 1 квадратного километра.
• Малый вес конструкции при больших рабочих площадях.
• Низкая стоимость конструкции.
Параболическое зеркало на орбите Земли формируется следующим образом:
• Зеркало выводится на орбиту Земли в контейнере, в сложенном состоянии.
• После вывода на орбиту Земли, контейнер с параболическим зеркалом начинает вращаться вокруг своей оси, которая должна быть направлена к Солнцу.
• Под действием центробежной силы, параболическое зеркало разворачивается до заданного размера.
• Гироскопический эффект, возникающий при вращении зеркала вокруг своей оси , позволяет сохранить постоянную ориентацию зеркала на Солнце во время движения по орбите с минимальными затратами энергии.
Формирование плоских зеркал на орбите.
Плоские зеркала предлагается формировать из легкого каркаса, на основе углепластика с натянутой на каркас тонкой зеркальной пленкой. Зеркало собирается на Земле, а на орбите оно разворачивается с помощью электроприводов. См. рис. 14.
Вывод системы зеркал на орбиту Земли.
Для снижения стоимость доставки систем зеркал на орбиту Земли, предлагается использовать многоразовую систему запуска «Ураган», разработанную РКК «Энергия» [3]. См. рис. 15.
В мае 2019 году руководитель "Роскосмоса" заявил о планах реализации аналогичного проекта.
Действующая модель орбитальной системы зеркал.
В качестве наглядного материала была изготовлена действующая модель орбитальной системы зеркал. Источником света здесь служит лампа накаливания мощностью 50 W, концентратором является линза, зеркало отражает световой поток и направляет его на фотоэлемент, прикреплённый к глобусу. От фотоэлемента работает мотор, раскручивающий пропеллер. См. рис.16.
Заключение.
Предложена система зеркал, размещаемая на орбите Земли, с целью сбора,
концентрации солнечного света и подачи его на наземные солнечные
электростанции в ночное и дневное время суток.
Выводы.
Предложенная орбитальная система зеркал:
1. Значительно увеличивает рабочее время солнечной электростанций, за счет перенаправления пучка солнечного света в ночное время суток на принимающие элементы солнечной электростанции.
2. Имеет возможность многократно увеличить световой поток, падающий на элементы солнечной электростанции, благодаря созданию группировки из систем параболических и плоских зеркал.
3. Имеет возможность освещать солнечные электростанции, располагающиеся не только на экваторе, но и в широтах выше и ниже экватора в диапазоне от 30 º северной широты до 30º южной широты. В этих широтах располага- ются страны, имеющие крупные экономики, такие как: Китай, Индия, Бразилия и др.
4. Должна производиться и запускаться в космос в России, при использовании разработки РКК «Энергия», по проектам «Знамя» и «Ураган».
5. Изготовлена демонстрационная модель орбитальной системы зеркал.
Приложения.
Рис.1. Башенная солнечная электростанция.
Рис.2. Тарельчатая солнечная электростанция.
Рис.3. Фотоэлектрическая электростанция.
Рис.6. Орбитальная система зеркал.
Рис.7. Дополнительная система параболических зеркал.
Рис.12. Проект "Знамя"- центробежный бескаркасный отражатель.
Рис.13. Бескаркасный параболический концентратор.
Рис.14. Формирование плоских зеркал на орбите.
Рис.15. Многоразовая система "Ураган".
Рис.16. Действующая модель орбитальной системы зеркал.
Используемая литература.
1. "Элементарный учебник физики", под редакцией академика Ландсберга.
III т., Издательство Наука, 1986 год, стр. 198 и 253.
2."Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции", Г.Г. Райкунов, В.А. Комков, В.М. Мельников, Б.Н. Харлов, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009 г., стр. 37.
3. "Триумф и трагедия Энергии. Размышления главного конструктора", Т. 3, Б.И.Губанов, Нижний Новгород, издательство НИЭР, 1998 г., глава "Вариант "Энергия-2" или ГК-175".