Тема:Тенденции развития аэрокосмических энергетических систем с лазерными каналами передачи энергии
Выполнили : Колтыга Роман , Гулевич Никита 442 об2
Научный руководитель: Карпова Т.В.
Введение
Сегодня слово «беспроводное» -- едва ли не главный символ прогресса в электронике. Но если задача бесконтактной передачи информации в основном решена, то с передачей энергии все оказалось не так просто. А между тем, избавившись от электрических проводов, можно было бы поставлять на Землю из космоса экологически чистую энергию Солнца и экономить миллионы тонн меди на линиях электропередачи. И разумеется, мобильник можно было бы заряжать прямо в кармане, ликвидировав на столе хаос кабелей зарядных устройств.
Когда речь заходит о беспроводной передаче энергии, необходимо сделать важную оговорку. С точки зрения физики выпущенный из орудия линкора снаряд, который топит другой корабль, тоже переносит на расстояние энергию -- кинетическую и химическую. И, заметьте, совсем без проводов! Так что, когда мы говорим о проблеме беспроводной передачи энергии, мы имеем в виду только передачу электроэнергии.
Причем передача эта должна осуществляться достаточно эффективно, чтобы энергию имело смысл использовать в повседневных целях. Человечество уже сотню лет успешно передает электроэнергию на расстояние при помощи радиоволн. Передатчик их излучает, приемник снова переводит в электричество, и мы слушаем, к примеру, джаз. Другое дело, что КПД этой передачи ничтожно мал. Принятой по радио энергии не хватает даже для работы наушников, из-за чего нам приходится регулярно менять батарейки в приемниках. Энергия радиоволн способна донести информацию с границ Солнечной системы, от летящего там зонда «Вояджер», но ей не под силу зажечь даже обыкновенную лампочку.
И наконец, в разговоре о беспроводной передаче энергии выделяются две существенно различные задачи: в одном случае цель в том, чтобы избавиться от надоевших проводов, которые путаются под ногами, а в другом -- передать энергию туда, куда тянуть кабель крайне накладно, а то и просто невозможно.
1.Транспортировка лазерной энергии по стратосферным магистралям.
В последние годы активно обсуждается проблема передачи энергии в околоземном воздушном и космическом пространстве с помощью лазерного излучения. Интерес к этой проблеме связан, прежде всего, с тем, что нарушение снабжения электрической энергией стратегически важных наземных, воздушных и космических объектов, включая высотные (стратосферные) платформы и искусственные космические аппараты на низких и высоких орбитах, влияет на функциональность систем безопасности и приведёт к значительным финансовым потерям. Решить проблему доставки энергии на эти объекты можно с помощью лазерных систем передачи энергии (ЛСПЭ) путём беспроводной трансконтинентальной транспортировки мощных информационно-энергетических потоков по стратосферным и космическим магистралям над территорией страны. Возможности ЛСПЭ в значительной мере определяются видом базирования, которое может быть наземным, морским, воздушным (на самолёте или аэростате) либо космическим. Расстояния, на которые лазерные системы должны будут передавать энергию, зависят от целевого назначения и вида базирования (от единиц до десятков тысяч километров). Процесс передачи энергии при наземном расположении ЛСПЭ зависит от состояния атмосферы и от погодных условий. При наземном и воздушном базировании приходится преодолевать весьма жёсткие возмущающие факторы. Влияние облачности, осадков и других явлений низких слоёв атмосферы на передачу лазерного излучения уменьшается с подъёмом на высоту выше 20 км. Три четверти массы атмосферы сосредоточены в нижних слоях до 10 км. Выше воздух значительно разрежен, хотя его частицы обнаруживаются на высоте 2000-3000 км над земной поверхностью. Нижний слой атмосферы (тропосфера, 10-15 км) нагревается от Земли, температура воз- духа с высотой падает на 6°С/км. В тропосфере находится почти весь водяной пар, образуются все облака, происходит формирование и перемещение воздушных масс, образование циклонов и антициклонов (см. рис. 1).
Рис. 1. Структура атмосферы Земли по высоте
Лазерное излучение может передаваться на значительные расстояния по поверхности Земли при использовании нескольких систем ретрансляции стратосферного или космического базирования. Стратосферное размещение ЛСПЭ позволяет дорабатывать и ремонтировать аппаратуру. Система ЛСПЭ функционирует следующим образом. Излучение мощных лазерных источников формируется в пучок с заданными параметрами и направляется на бортовую оптическую систему высотного дирижабля, оснащённую опорным источником и системой ретрансляции излучения. Опорный источник необходим для высокоточного наведения лазерного излучения, контроля и последующей коррекции атмосферных искажений в нём на восходящей трассе. А система ретрансляции позволяет направлять мощное лазерное излучение на различные воздушные или космические объекты (потребители энергии), оснащённые приёмными фотоэлектрическими (ФЭ) панелями, преобразующими лазерное излучение в электрический ток. Слежение за центром панели осуществляется системой ретрансляции по опорному источнику. Для пространственной ориентации приёмных ФЭ-панелей относительно лазерного пучка используется оптико-электронная система наведения ФЭ-панелей преобразователя. Аппаратное управление функционированием КЛЭО осуществляется по наземным и космическим каналам связи в радио- или оптическом диапазонах. Максимальная дальность однопролётной стратосферной магистрали составляет до 750 км. Максимальная передаваемая световая энергия - до 10 МВт, а диаметры ретранслируемых световых пучков - от 2 до 10 м. Длины волн излучения - 0,8-0,9 мкм, 1,06-1,15 мкм или 1,315 мкм. Максимальная эффективность преобразования световой энергии в электрическую - 30%, а потери в стратосферных и ретрансляционных элементах на однопролётной магистрали не превышают 0,1 дБ. Высота стратосферной энергетической магистрали составляет более 20 км. Основным ограничивающим фактором предлагаемой концепции является тропосферный слой атмосферы Земли. Для преодоления негативного влияния тропосферного слоя атмосферы Земли можно реализовать многоярусную систему передачи энергии. На первый ярус, представляющий собой промежуточный транспортный дирижабль (высота его расположения 3-6 км), с поверхности Земли энергия передаётся по СВЧ-лучу или оптическому волоконному кабелю. На его борту происходит преобразование и передача энергии системой лазерного излучения на верхний ярус - стратосферную аэростатическую платформу, расположенную на высоте 16…30 км, куда лазерные энергетические линии могут доносить мощности мегаваттного порядка (5…10 МВт). При передаче энергии лазерного излучения с поверхности Земли на высотные дирижабельные платформы (высота 20…25 км) для повышения качества пучка (уменьшения расходимости, исключения блуждания и других параметров) необходимо принимать меры по компенсации фазовых искажений лазерного пучка с использованием технологии силовой адаптивной оптики (САО). При формировании лазерного канала с высокой выходной мощностью возникает следующая научно-техническая задача: лазерное излучение должно быть сформировано в пучок, расходимость которого не превышает 10-6…10-7 рад. Для этого необходимо использовать сложные средства коррекции искажений волнового фронта излучения, как в оптическом тракте лазера, так и в магистральном пространстве. Поиск эффективных решений показал, что именно выбор средств коррекции искажений определяет архитектуру построения лазера и ЛСПЭ в целом. На первый взгляд, читателям может показаться, что авторы рассказывают о некоторых задачах из области научной фантастики. На самом деле эти задачи весьма актуальны уже сегодня и ими занимаются учёные во многих странах мира. Разработка технологии беспроводной передачи высоких энергий необходима для дальнейшего освоения и использования воздушного и космического пространства Земли уже в ХХI веке.
2. Преобразование солнечного излучения в мощное лазерное излучение.
К лазерам с прямым преобразованием солнечного излучения предъявляются следующие требования: а) наличие широкой (и, по возможности, непрерывной) полосы поглощения в области спектра, где сосредоточена основная доля излучения накачки; б) существование процессов, приводящих при поглощении излучения к образованию инверсной населённости уровней; в) восстанавливаемость химического состава лазерной смеси, в которой под действием излучения возможно протекание различных химических реакций. Если накачка активной среды осуществляется непосредственно сконцентрированным солнечным светом, то вышеуказанные требования должны выполняться, естественно, и системами, поглощающими излучение преимущественно в видимой области спектра. Однако, в принципе, возможно создание солнечного лазера, в котором для накачки используется излучение, трансформированное с помощью чёрного тела из видимой области спектра в его инфракрасную часть. Какой же должна быть мощность лазерной установки, чтобы говорить о её применении для передачи энергии? Большой интерес представляют твердотельные иттрий-неодимовые лазеры N:(YAG) американской компании NorthropGrumman, суммарная мощность которых достигает 120 кВт, и волоконные непрерывные лазеры на иттербии российской компании «ИРЭ- Полюс», выходная мощность которых достигает 100 и более киловатт. Такие лазеры могут иметь двойное назначение (оборонное и гражданское применение) в качестве дальномеров, систем обнаружения, сварки и резки сверхтвёрдых металлов и применяться для решения ещё целого ряда задач, не под- дающихся решению другими технологиями и техническими средствами. Волоконные лазеры сочетают в себе свойства генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов. Волоконные лазеры переживают период бурного развития. Например, волоконные непрерывные лазеры на иттербии (∆λ = 1,05-1,08 мкм) достигли весьма впечатляющих параметров.
В петербургском институте лазерной физики ГОИ им. С.И. Вавилова разработана концепция системы прямого преобразования солнечной энергии в лазерное излучение на базе фуллерен- кислород-йодного лазера . Показаны преимущества этой системы и её конкурентоспособность по сравнению с аналогичными системами преобразования солнечной энергии. Выполнен анализ различных вариантов генераторов синглетного кисло- рода на основе твёрдофазныхфулле-ренсодержащих структур. Проведён цикл экспериментальных исследований процессов преобразования солнечной энергии в лазерное излучение с использованием разработанного макета фуллерен-кислород-йодного лазера с накачкой имитатором солнечного излучения. Получена генерация в импульсно-периодическом режиме работы лазера с частотой 10 Гц со средней выходной мощностью 30 Вт. Достигнут съём энергии лазерной гене- рации с единицы объёма активной среды 9 Дж/л.
3.Фотоэлектрические преобразователи энергии мощного лазерного излучения.
Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) на основе полупроводниковых гетероструктур позволяют преобразовывать лазерное излучение в электроэнергию. Что позволяет дистанционно питать энергией различные космические аппараты лазерным излучением передаваемым с земли , а также обеспечивать энергопитанием труднодоступные объекты.
Основными требованиями к ФЭП являются высокий КПД при выбранных длинах волн лазерного излучения и возможность эффективной и надёжной работы ФЭП при различных уровнях средней плотности падающего излучения и повышенных температурах. Главной проблемой является обеспечение достаточно высокой эффективности фотоэлектрического преобразования падающего лазерного излучения в широком диапазоне изменения его плотности.
В реальном ФЭП на основе GaAs, оптимизированном для умеренной плотности лазерного излучения получен КПД 40-43%. При увеличении плотности лазерного излучения до 50-70 Вт/см2 КПД ФЭП вырастает до 45%. Дальнейшее увеличение интенсивности лазерного излучения до 200 Вт/см2 приводит к снижению КПД до 42%.Увеличение КПД до 50-55% может быть достигнуто за счёт снижения оптических и омических потерь, а также за счёт смещения длины волны лазерного излучения до 0,85 мкм
Тонкоплёночные ФЭП на основе арсенида галлия, разрабатываемые в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, позволяют сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм. В результате более чем на порядок снижается расход арсенида галлия и, как следствие этого, в 2-3 раза снижается вес фотоэлектрических батарей.
4. Концепция построения аэрокосмических энергетических платформ и магистралей.
Интегральная плотность мощности солнечного излучения, достигающего атмосферы Земли, то есть газовой среды, которая вращается вместе с Землёй как единое целое, составляет в среднем 1367 Вт/м2 (её называют солнечной постоянной). В ясный день поверхности Земли достигает не более 1000 Вт/м2 . Остальная часть солнечной энергии отражается и рассеивается в атмосфере молекулами газов, аэрозольными частицами, каплями воды и кристаллами льда.
Поэтому встает вопрос о том, как максимально эффективно уловить солнечные лучи ,чтобы приблизиться к солнечной постоянной.
Предлагается решить эту задачу с помощью огромных управляемых оптических зеркал, расположенных в ближнем космосе. Отражаемая от зеркал солнечная энергия может быть направлена на специальную стратосферную платформу (СП) или систему из нескольких таких платформ. На этих платформах должны быть расположены системы солнечных батарей, преобразующих солнечный свет в электричество.
Одним из вариантов СП является беспилотный дирижабль Ascender. Двухкилометровый гелиевый дирижабль с ионными двигателями по проекту калифорнийской компании JP Aerospace может выходить почти на космическую орбиту.
V-образный беспилотный 53-метровый суборбитальный дирижабль Ascender в полете.
Разработчик утверждает, что наполненные гелием воздушные шары способны подниматься на высоту 40-60 км и находиться там месяцами, наподобие орбитальных космических станций, принимая сменные экипажи с Земли.
Заполненный гелием аппарат с дистанционным управлением, оснащённый воздушными винтами, должен достичь расчётной высоты не менее 30,5 км. Также он должен продемонстрировать способность реагировать на команды с Земли, зависать над заданной точкой, компенсируя моторами действие ветра, а также проходить путь между произвольно заданными пунктами на поверхности планеты. Испытание проводится, в первую очередь, для американских ВВС, которые рассматривают высотные аэростаты в качестве перспективных средств разведки и ретрансляции данных.
Сейчас компания разрабатывает долговременную, парящую почти на границе космоса, станцию под названием DarkSkyStation с поперечником 3,2 км. Она должна висеть или медленно дрейфовать на высотах до 42 км и нести на борту обитаемую исследовательскую станцию, экипажи на которую доставлялись бы небольшими пилотируемыми аналогами Ascender.
Концепция аэрокосмической системы беспроводного энергообеспечения объектов
Другой проект компании - OrbitalAscender. Это пилотируемый V-образный аэростат длиной 1,8 км, способный двигаться вокруг планеты по орбите и швартоваться к DarkSkyStation. Один оборот вокруг Земли занимал бы у гигантского корабля от 3 до 9 дней. Для разгона и подъёма на высоты, недоступные обычным аэростатам (60 км и более), аппарат будет использовать ионные реактивные двигатели, питаемые топливными элементами и солнечными батареями. Положительную роль в рекордном подъёме сыграла бы и аэродинамика этого аппарата. Основатель компании JP Aerospace Джон Пауэлл (JohnPowell) заявляет, что ионные двигатели будут установлены на высотном аэростате и испытаны на высоте 30 км.
Следует иметь в виду, что на пути солнечного излучения к Земле происходит не только отражение солнечной энергии и рассеяние её в атмосфере. На неё также воздействует атмосферная турбулентность, под влиянием которой в большинстве районов Земли солнечное излучение будет иметь угловое рас- сеяние примерно 3…5 секунд. Учитывая расстояние от геостационарного спутника до Земли, получим отклонение оптического излучения примерно на 10 км, что легко компенсируется при помощи простейшей адаптивной системы. Проблема заключается в необходимости управлять огромными оптическими элементами прямо в космосе, на высотах порядка 35…40 тыс. км. Но гораздо существеннее проблема дороговизны энергии, так как её решение требует высокой эффективности преобразования световой энергии в электрическую. Это поможет сократить «лишние» площади солнечных батарей, которые необходимы для компенсации потерь энергии. Для решения данных задач учёные предлагают самые разнообразные проекты
В одном из вариантов на космической орбите, на высоте примерно 40 тыс. км в районе геостационарных орбит, предлагается поместить систему слабо фокусирующих космических линз или зеркал (КЗ). Если осуществить прямую фокусировку отражённого от КЗ солнечного излучения прямо на СП или на Землю, появится необходимость адаптивно управлять этими зеркалами. Освещённая зона будет иметь площадь, равную сотням квадратных километров, однако плотность энергии в ней, по сравнению с естественной величиной плотности на поверхности Земли, будет ничтожно мала.
Если исходить из того, что зеркала находятся на геостационарной орбите, а СП - на высоте порядка 20 км, тогда размеры КЗ становятся гораздо больше размеров СП. В одном из вариантов проекта КЗ представляют собой тонкую плёнку, натянутую на разворачиваемый в космосе каркас, который, в свою очередь, и осуществлял точную наводку зеркал на СП .
В другом варианте предлагается разместить на ГСО космическую электростанцию (КЭС) с ЛСПЭ, а на СП - постоянно висящую на высоте 20…40 км энергетическую заправочную станцию, предназначенную для беспроводного энергообеспечения объектов на Земле и в аэрокосмическом пространстве. На КЭС должны быть размещены либо системы прямой накачки лазера солнечным светом, либо солнечные батареи с ЛСПЭ. Особенностью высот 20…40 км над Землёй являются постоянно дующие ветры, которые будут дестабилизировать положение СП. Поэтому она должна быть снабжена системой стабилизации своего положения и постоянной юстировки КЗ. Согласование системы КЗ и СП можно осуществить с помощью оптических маяков и систем адаптивной коррекции, установленных на СП .
