Концепция модульной космической электростанции с лазерным каналом передачи энергии
УДК 629.788.523.43
КОНЦЕПЦИЯ МОДУЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ЛАЗЕРНЫМ КАНАЛОМ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
© 2012 г. В. К. Сысоев*, доктор техн. наук; К. М. Пичхадзе*, доктор техн. наук; А. А. Верлан*; Б. П. Папченко**
** Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина, г. Химки, Московская область
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** Е-mail: sysoev@laspace.ru
Предлагается концепция построения солнечной космической электростанции из автономных спутников, связанных информационными и энергетическими каналами. Часть спутников этой системы являются носителями лазерных каналов передачи энергии на Землю, а другие выполняют роль фотопреобразователей солнечной энергии в электрическую с последующей передачей бесконтактным магнитно-резонансным методом на спутник-излучатель.
Ключевые слова: солнечная космическая электростанция, магнитный резонанс, фотопреобразующие структуры, лазерный канал передачи энергии.
Коды OCIS: 350.6050, 050.0050, 060.3510
Поступила в редакцию 19.06.2012
Концепция солнечной космической электростанции (СКЭС), предполагает размещение солнечных фотобатарей на геостационарной орбите и передачи вырабатываемой энергии (на уровне до 10 ГВт) на поверхность Земли хорошо сфокусированным СВЧ пучком. Прием этой энергии производится с помощью большеразмерных ректенн [1].
Данная концепция предполагала создание космического сооружения с размерами в тысячи метров и в сотни тонн сложнейших конструкций и поэтому интерес к ней был потерян уже на идеологическом уровне. Прогресс в области технологии создания высокоэффективных солнечных фотобатарей привел к появлению в последующие годы новых проектов, в том числе и демонстрационных космических солнечных электростанций. Однако и их параметры (масса, габариты) не позволяют надеяться на их практическую реализацию в ближайшее время [1–3]. Основные технические проблемы, делающие данную концепцию солнечной космической электростанции трудно выполнимой, следующие:
1. Необходимость большеразмерной конструкции потребует многих пусков ракет носителей с компонентами электростанции и организацию трудоемких сборочных операции в космосе.
2. Организация передачи энергии с помощью СВЧ излучения на Землю при использовании диапазонов 2,45 или 5,8 ГГц с расстояния 40 000 км приводит к необходимости создания космической передающей антенны (которая к тому же потребует высокоточного наведения) с размером более 1 км, а приемную ректенну диаметром более 15 км. Такую антенну и ректенну со стабильными параметрами невозможно ни изготовить ни обеспечить их надежное функционирование.
Последние достижения в области фотопреобразователей, лазерных излучателей, композитных материалов и успехи в развитии систем управления космическими системами позволяют по-новому взглянуть на построение космической электростанции.
В настоящее время эффективно развивается технология кластерных автономных спутниковых систем, информационно связанных между собой. В NASA-DARPA такой проект получил название “F6” [4]. Предполагается разработка модульного, фрагментарного (не объединенного механически в единое целое) спутника. Такая спутниковая система будет состоять из свободно движущихся по близким орбитам различных целевых модулей, взаимодействующих друг с другом.
116 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
Идеологию программы F6 авторы предлагают распространить на построение солнечной космической электростанции. Концептуально такая электростанция может иметь следующую структуру (рис. 1):
1. Спутники-приемники солнечной энергии. Такой спутник будет состоять из: космического модуля, большеразмерной конструкции гибких фотопреобразователей с системой накопителей энергии, системы безконтактной передачи энергии на небольшие расстояния (один из возможных вариантов – магнитно резонансный передатчик).
2. Спутники-передатчики энергии на землю. Такой спутник будет состоять из: космического модуля, системы волоконных лазеров, генерирующих излучение в области 1–2 мкм, зеркальной системы передачи лазерной энергии, системы накопителей энергии, нескольких портов приема энергии со спутника-приемника солнечной энергии.
3. Фотоприемная система лазерной энергии на Земле. Такая система может устанавливаться на аэростатах с трос-кабелем.
4. Система управления с Земли космической электростанцией будет состоять из двух связанных подсистем: управление спутниковой системой, управление наведением лазерного излучения на наземную фотоприемную систему.
Важнейшим элементом концепции солнечной космической электростанции является создание трансформируемой конструкции большеразмерной тонкопленочной фотопреобразующей панели, преобразующей солнечное излучение в электрическую энергию. Конструкцию фотопреобразующей панели предполагается создавать на основе технологии солнечного паруса, разворачиваемого в космосе центробежным механизмом [5] или надувными штангами из отверждаемых композитных материалов.
Тонкопленочные фотопреобразовательные структуры успешно применены в японском проекте солнечного паруса “Ikaros”. Тонкопленочные фотопребразователи на основе ZnO–CdS–CuJnGaSe2 позволяют получить 250 Вт/м2 при толщине преобразователей 25– 35 мкм [6]. Это позволит получить при разворачивании фотопреобразующих пленочных структур до размеров 100100 метров более 2 МВт электрической мощности.
Выбор волоконного лазера для передачи энергии со спутника-передатчика на Землю обусловлен следующими причинами: возможностью передачи больших мощностей, получением на Земле небольшого пятна на фотоприемных системах (десятки метров), что на несколько порядков меньше чем в проектах с СВЧ каналом передачи энергии (тысячи ме-
3
4 1
2
5
Рис. 1. Схема модульной солнечной космической электростанции. 1 – спутник приемник солнечной энергии, 2 – спутник передатчик, 3 – магниторезонансный передатчик энергии, 4 – зеркальная система передачи лазерного излучения на Землю, 5 – трех спутниковая система.
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
117
тров). Прогресс в области развития волокон-
ных лазеров весьма значителен – мощность
достигла величин более 50 кВт [7], эффектив-
ность порядка 80% [8].
Расположение наземных фотопреобразо-
вателей на высотных привязных аэростатах определяется необходимостью избежать погло-
1
щения лазерного излучения аэрозолем гидрок-
сила нижних слоев атмосферы и это будет вы-
годно как с точки зрения экологии, так и воз-
5
можностью установки в любом районе, тем более имеется технология решения в виде уже
6
эксплуатируемых привязных высотных радио
аэростанций. Наземные фотопреобразователи
4
будут работать от двух источников энергии –
лазерного излучения и от солнечного излуче-
ния, что увеличит эффективность всей электро-
станции.
Технология в области магниторезонансной бесконтактной передачи энергии “Witricity”
3
[9] достигла впечатляющих результатов: КПД
до 90%, мощность передачи несколько киловатт на расстояние более метра. Дальнейшее
2
развитие данной системы бесконтактной пере-
дачи энергии к началу создания космических
электростанций позволит передавать большие
мощности до нескольких метров.
Решение проблемы высокоточного наведе-
ния мощных лазерных пучков на наземную фотоприемную систему можно решить путем создания адаптивной обратной связи между лазерными излучателями и наземной фотоприемной системой (рис. 2) [10]. Для этого предлагается система, которая использует обратную оптическую связь для регулирования направ-
Рис. 2. Схема наведения лазерного канала передачи энергии с использованием обратной связи на основе нелинейно оптических методов. 1 – спутник передатчик, 2 – фотоприемная лазерная система, 3 – площадка уголковых отражателей, 4 – передатчик лазерного излучения, 5 – устройство обращения обратного фронта, 6 – усилители.
ления лазерного луча с помощью нелинейных
оптических методов. С этой целью уголковые
отражатели устанавливают в середине пло- сокоточного наведения лазерного излучения
щадки наземной фотоприемной системы. При со спутника передатчика на фотопреобразую-
получении отраженного лазерного излучения щую станцию, размещенную на Земле.
производится обращение волнового фронта,
Создание системы высокомощных волокон-
который через волновые усилители направля- ных лазеров с высокоэффективной системой ох-
ет лазерное излучение на фотоприемную пло- лаждения светодиодной накачки этих лазеров.
щадку аэростата.
Предлагаемая концепция позволит решить
Ключевыми проблемами, которые необходи- основную проблему при разработке солнечных
мо решить, для реализации предлагаемой схе- космических электростанций это необходи-
мы космической электростанции являются:
мость создания больших площадей фотопре-
Разработка большеразмерных фотопре- образователей для получения необходимых
образующих структур с системой накопления мощностей путем создания сети информаци-
электроэнергии и системой бесконтактной онно и энергетически связанных автономных
магниторезонансной передачи энергии.
спутников.
Разработка наземно-космической систе-
Работа выполнена в рамках осуществления
мы высокоточного управления группировкой гранта П775 ФЦП “Научно-педагогические кад-
космических аппаратов, а также системы вы- ры инновационной России на 2009–2013 гг.” *****
118 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
ЛИТЕРАТУРА
1. Glaser P.E. Power from the Sun: its Future: Science. 1968. V. 162. P. 867.
2. Сысоев В.К., Понамаренко А.Д., Верлан А.А. Мировые тенденции развития космических электростанций // Альтернативный киловатт. 2011. № 5 (11). C. 14–18.
3. Сысоев В.К., Пичхадзе К.М. Арапов Е.А. Анализ возможных схем построения космических солнечных электростанций // Полет. 2010. № 6. C. 34–47.
4. Shah N., Brown O.C. Fractionated Satellites: Changing the Future of Risk and Opportunity for Space Systems // High Frontier. 2008. V. 5. № 1. P. 29–36.
5. Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Формируемые центробежными силами космические солнечные батареи. М.: Черос. 2007. 188 с.
6. Ramanathan K., Contreras M.A., Perkins C.L., Asher S., Hasoon F.S., Keane J., et al. Properties of 19.2% efficiency ZnO/CdS/CuInGaSe2 thin-film solar cells // Progress in Photovoltaics. 2003. № 11 (4). P. 225–230.
7. IPG Photonics Corporation. The Fiber Laser CompanyTM // Needham’s 14th Annual Growth Conference. January 10, 2012.
8. Курков А.С., Шолохов Е.М., Цветков В.Б., Маракулин А.В., Минашина Л.А., Медведков О.И., Косолапов А.Ф. Гольмиевый волоконный лазер с рекордной квантовой эффективностью // Квант. электрон. 2001. № 41(6). С. 492–494.
9. Kurs A., Moftatt R., Soljacic M. Simultaneous mid-range power transfer to multiple devices // Appl. Phys. Letters. 2010. V. 96. № 4. P. 44–109.
10. Schafer C.A., Gray D. Transmission media appropriate laser-microwave solar power satellite system // Acta Astronautica. 2012. V. 79. № 11. P. 140–156.
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
119
КОНЦЕПЦИЯ МОДУЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ЛАЗЕРНЫМ КАНАЛОМ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
© 2012 г. В. К. Сысоев*, доктор техн. наук; К. М. Пичхадзе*, доктор техн. наук; А. А. Верлан*; Б. П. Папченко**
** Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина, г. Химки, Московская область
** Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных ** технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
** Е-mail: sysoev@laspace.ru
Предлагается концепция построения солнечной космической электростанции из автономных спутников, связанных информационными и энергетическими каналами. Часть спутников этой системы являются носителями лазерных каналов передачи энергии на Землю, а другие выполняют роль фотопреобразователей солнечной энергии в электрическую с последующей передачей бесконтактным магнитно-резонансным методом на спутник-излучатель.
Ключевые слова: солнечная космическая электростанция, магнитный резонанс, фотопреобразующие структуры, лазерный канал передачи энергии.
Коды OCIS: 350.6050, 050.0050, 060.3510
Поступила в редакцию 19.06.2012
Концепция солнечной космической электростанции (СКЭС), предполагает размещение солнечных фотобатарей на геостационарной орбите и передачи вырабатываемой энергии (на уровне до 10 ГВт) на поверхность Земли хорошо сфокусированным СВЧ пучком. Прием этой энергии производится с помощью большеразмерных ректенн [1].
Данная концепция предполагала создание космического сооружения с размерами в тысячи метров и в сотни тонн сложнейших конструкций и поэтому интерес к ней был потерян уже на идеологическом уровне. Прогресс в области технологии создания высокоэффективных солнечных фотобатарей привел к появлению в последующие годы новых проектов, в том числе и демонстрационных космических солнечных электростанций. Однако и их параметры (масса, габариты) не позволяют надеяться на их практическую реализацию в ближайшее время [1–3]. Основные технические проблемы, делающие данную концепцию солнечной космической электростанции трудно выполнимой, следующие:
1. Необходимость большеразмерной конструкции потребует многих пусков ракет носителей с компонентами электростанции и организацию трудоемких сборочных операции в космосе.
2. Организация передачи энергии с помощью СВЧ излучения на Землю при использовании диапазонов 2,45 или 5,8 ГГц с расстояния 40 000 км приводит к необходимости создания космической передающей антенны (которая к тому же потребует высокоточного наведения) с размером более 1 км, а приемную ректенну диаметром более 15 км. Такую антенну и ректенну со стабильными параметрами невозможно ни изготовить ни обеспечить их надежное функционирование.
Последние достижения в области фотопреобразователей, лазерных излучателей, композитных материалов и успехи в развитии систем управления космическими системами позволяют по-новому взглянуть на построение космической электростанции.
В настоящее время эффективно развивается технология кластерных автономных спутниковых систем, информационно связанных между собой. В NASA-DARPA такой проект получил название “F6” [4]. Предполагается разработка модульного, фрагментарного (не объединенного механически в единое целое) спутника. Такая спутниковая система будет состоять из свободно движущихся по близким орбитам различных целевых модулей, взаимодействующих друг с другом.
116 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
Идеологию программы F6 авторы предлагают распространить на построение солнечной космической электростанции. Концептуально такая электростанция может иметь следующую структуру (рис. 1):
1. Спутники-приемники солнечной энергии. Такой спутник будет состоять из: космического модуля, большеразмерной конструкции гибких фотопреобразователей с системой накопителей энергии, системы безконтактной передачи энергии на небольшие расстояния (один из возможных вариантов – магнитно резонансный передатчик).
2. Спутники-передатчики энергии на землю. Такой спутник будет состоять из: космического модуля, системы волоконных лазеров, генерирующих излучение в области 1–2 мкм, зеркальной системы передачи лазерной энергии, системы накопителей энергии, нескольких портов приема энергии со спутника-приемника солнечной энергии.
3. Фотоприемная система лазерной энергии на Земле. Такая система может устанавливаться на аэростатах с трос-кабелем.
4. Система управления с Земли космической электростанцией будет состоять из двух связанных подсистем: управление спутниковой системой, управление наведением лазерного излучения на наземную фотоприемную систему.
Важнейшим элементом концепции солнечной космической электростанции является создание трансформируемой конструкции большеразмерной тонкопленочной фотопреобразующей панели, преобразующей солнечное излучение в электрическую энергию. Конструкцию фотопреобразующей панели предполагается создавать на основе технологии солнечного паруса, разворачиваемого в космосе центробежным механизмом [5] или надувными штангами из отверждаемых композитных материалов.
Тонкопленочные фотопреобразовательные структуры успешно применены в японском проекте солнечного паруса “Ikaros”. Тонкопленочные фотопребразователи на основе ZnO–CdS–CuJnGaSe2 позволяют получить 250 Вт/м2 при толщине преобразователей 25– 35 мкм [6]. Это позволит получить при разворачивании фотопреобразующих пленочных структур до размеров 100100 метров более 2 МВт электрической мощности.
Выбор волоконного лазера для передачи энергии со спутника-передатчика на Землю обусловлен следующими причинами: возможностью передачи больших мощностей, получением на Земле небольшого пятна на фотоприемных системах (десятки метров), что на несколько порядков меньше чем в проектах с СВЧ каналом передачи энергии (тысячи ме-
3
4 1
2
5
Рис. 1. Схема модульной солнечной космической электростанции. 1 – спутник приемник солнечной энергии, 2 – спутник передатчик, 3 – магниторезонансный передатчик энергии, 4 – зеркальная система передачи лазерного излучения на Землю, 5 – трех спутниковая система.
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
117
тров). Прогресс в области развития волокон-
ных лазеров весьма значителен – мощность
достигла величин более 50 кВт [7], эффектив-
ность порядка 80% [8].
Расположение наземных фотопреобразо-
вателей на высотных привязных аэростатах определяется необходимостью избежать погло-
1
щения лазерного излучения аэрозолем гидрок-
сила нижних слоев атмосферы и это будет вы-
годно как с точки зрения экологии, так и воз-
5
можностью установки в любом районе, тем более имеется технология решения в виде уже
6
эксплуатируемых привязных высотных радио
аэростанций. Наземные фотопреобразователи
4
будут работать от двух источников энергии –
лазерного излучения и от солнечного излуче-
ния, что увеличит эффективность всей электро-
станции.
Технология в области магниторезонансной бесконтактной передачи энергии “Witricity”
3
[9] достигла впечатляющих результатов: КПД
до 90%, мощность передачи несколько киловатт на расстояние более метра. Дальнейшее
2
развитие данной системы бесконтактной пере-
дачи энергии к началу создания космических
электростанций позволит передавать большие
мощности до нескольких метров.
Решение проблемы высокоточного наведе-
ния мощных лазерных пучков на наземную фотоприемную систему можно решить путем создания адаптивной обратной связи между лазерными излучателями и наземной фотоприемной системой (рис. 2) [10]. Для этого предлагается система, которая использует обратную оптическую связь для регулирования направ-
Рис. 2. Схема наведения лазерного канала передачи энергии с использованием обратной связи на основе нелинейно оптических методов. 1 – спутник передатчик, 2 – фотоприемная лазерная система, 3 – площадка уголковых отражателей, 4 – передатчик лазерного излучения, 5 – устройство обращения обратного фронта, 6 – усилители.
ления лазерного луча с помощью нелинейных
оптических методов. С этой целью уголковые
отражатели устанавливают в середине пло- сокоточного наведения лазерного излучения
щадки наземной фотоприемной системы. При со спутника передатчика на фотопреобразую-
получении отраженного лазерного излучения щую станцию, размещенную на Земле.
производится обращение волнового фронта,
Создание системы высокомощных волокон-
который через волновые усилители направля- ных лазеров с высокоэффективной системой ох-
ет лазерное излучение на фотоприемную пло- лаждения светодиодной накачки этих лазеров.
щадку аэростата.
Предлагаемая концепция позволит решить
Ключевыми проблемами, которые необходи- основную проблему при разработке солнечных
мо решить, для реализации предлагаемой схе- космических электростанций это необходи-
мы космической электростанции являются:
мость создания больших площадей фотопре-
Разработка большеразмерных фотопре- образователей для получения необходимых
образующих структур с системой накопления мощностей путем создания сети информаци-
электроэнергии и системой бесконтактной онно и энергетически связанных автономных
магниторезонансной передачи энергии.
спутников.
Разработка наземно-космической систе-
Работа выполнена в рамках осуществления
мы высокоточного управления группировкой гранта П775 ФЦП “Научно-педагогические кад-
космических аппаратов, а также системы вы- ры инновационной России на 2009–2013 гг.” *****
118 “Оптический журнал”, 79, 8, 2012
ЛИТЕРАТУРА
1. Glaser P.E. Power from the Sun: its Future: Science. 1968. V. 162. P. 867.
2. Сысоев В.К., Понамаренко А.Д., Верлан А.А. Мировые тенденции развития космических электростанций // Альтернативный киловатт. 2011. № 5 (11). C. 14–18.
3. Сысоев В.К., Пичхадзе К.М. Арапов Е.А. Анализ возможных схем построения космических солнечных электростанций // Полет. 2010. № 6. C. 34–47.
4. Shah N., Brown O.C. Fractionated Satellites: Changing the Future of Risk and Opportunity for Space Systems // High Frontier. 2008. V. 5. № 1. P. 29–36.
5. Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Формируемые центробежными силами космические солнечные батареи. М.: Черос. 2007. 188 с.
6. Ramanathan K., Contreras M.A., Perkins C.L., Asher S., Hasoon F.S., Keane J., et al. Properties of 19.2% efficiency ZnO/CdS/CuInGaSe2 thin-film solar cells // Progress in Photovoltaics. 2003. № 11 (4). P. 225–230.
7. IPG Photonics Corporation. The Fiber Laser CompanyTM // Needham’s 14th Annual Growth Conference. January 10, 2012.
8. Курков А.С., Шолохов Е.М., Цветков В.Б., Маракулин А.В., Минашина Л.А., Медведков О.И., Косолапов А.Ф. Гольмиевый волоконный лазер с рекордной квантовой эффективностью // Квант. электрон. 2001. № 41(6). С. 492–494.
9. Kurs A., Moftatt R., Soljacic M. Simultaneous mid-range power transfer to multiple devices // Appl. Phys. Letters. 2010. V. 96. № 4. P. 44–109.
10. Schafer C.A., Gray D. Transmission media appropriate laser-microwave solar power satellite system // Acta Astronautica. 2012. V. 79. № 11. P. 140–156.
“Оптический журнал”, 79, 8, 2012
119