СОЛНЕЧНАЯ АЭРОСТАТНО-МОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (САМЭ)
SOLAR AEROSTATICAL-MOBILE POWER PLANTS (SAMPP)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к высотным солнечным аэростатно-мобильным электростанциям (САМЭ) энергоснабжения наземных потребителей в независимости от климатических и погодных условий. САМЭ с СВЧ магистралями наиболее предпочтительны для построения распределенной энергетической системы России и могут полностью обеспечить энергетическую безопасность и надежное энергоснабжения на отдаленных и труднодоступных территориях Сибири, Севера и Дальнего Востока, которые не охвачены централизованным энергоснабжением.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны космические солнечные электростанции для обеспечения электроэнергией наземных потребителей, включающие в себя солнечную энергетическую установку и систему дистанционной передачи на Землю энергии в виде микроволнового или лазерного излучения [заявка на изобретение RU №94032672/11 от 08.09.1994, B64G 9/00; патент на изобретение RU №2094334 от 18.04.1994, B64G 1/44, К. Гетланд, «Космическая техника», М., изд. Мир, 1986 г., стр. 228-237].
Недостатками данных электростанций являются:
Большеразмерная конструкция, которую невозможно переправить на орбиту целиком за один раз, требующая большого количества пуска ракетоносителей и сложной дорогостоящей сборки в космосе;
Многоступенчатая система преобразования солнечной энергии с аппаратурой с большими массогабаритными параметрами и сложной и тяжелой кабельной сетью, повышающая риск выхода из строя отдельных узлов и, в крайнем случае, оборудования в целом;
При использовании лазерного луча в качестве способа передачи энергии отсутствие пункта приема энергии выше облачной зоны будет приводить к потере части излучения в тропосфере и, следовательно, понижению КПД процесса.
При использовании СВЧ луча в качестве способа передачи энергии, обладающего значительной расходимостью, площадь его на Земле достигнет больших размеров, что требует создания таких же размеров передающей антенны до 1 км и приемной ректенны до 10 км, что приводит как к удорожанию электростанции, так и к понижению эффективности ее работы
Известна также система энергоснабжения наземных потребителей из космоса, включающая в себя, по меньшей мере, одну космическую солнечную электростанцию и наземный пункт приема энергии, передаваемой с космических солнечных электростанций [авторское свидетельство SU №946372 от 31.10.1980, H01J 17/00, B64G 1/10].
Известна также аэростатно-космическая энергетическая система, включающая в себя, по меньшей мере, одну космическую солнечную электростанцию и наземный пункт приема энергии, передаваемой с космической солнечной электростанции, отличающаяся тем, что система снабжена промежуточным пунктом приема энергии, представляющим собой летательный аппарат легче воздуха в виде управляемого привязного аэростата со смонтированным на нем служебным модулем. При этом на поверхности указанного аппарата, обращенной от поверхности Земли, расположены солнечные фотопреобразователи и лазер, направленный на космическую солнечную электростанцию, а на поверхности, обращенной к поверхности Земли, расположены инфракрасные фотопреобразователи и вышеуказанный служебный модуль управления аэростатом. При этом указанный аэростат закреплен выше зоны облаков посредством трос-кабеля, соединенного с наземным пунктом приема энергии.
Аэростатно-космическая энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что летательный аппарат легче воздуха выполнен дискообразной формы, и по периметру его боковой поверхности равномерно смонтированы электромоторы, соединенные со служебным модулем.
Аэростатно-космическая энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что между служебным модулем и наземным пунктом приема энергии на трос-кабеле, выходящим из служебного модуля, последовательно закреплены обезвешивающие аэростатные оболочки.
Аэростатно-космическая энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что космическая солнечная электростанция представляет собой размещенный на орбите спутник, состоящий из независимых между собой фотопреобразующих модулей, фокусирующей луч зеркальной системы, суперконденсаторов, системы дистанционной передачи энергии, приборно-агрегатного отсека с системами управления, а также систем для приема команд управления и выдачи информации о состоянии работы спутника на наземный пункт.
(Авторское свидетельство RU 2481252 С1 (заявка: 2011141939/11, 18.10.2011 B64G 1/42 (2006.01) В64В 1/50 (2006.01), опубликовано: 10.05.2013 Бюл. №13).
Однако недостатком данного изобретения является
2
Для получения больших энергетических мощностей космических электростанций (например, ГВт уровня) требуются значительные поля (5-10 км) фотоэлектрических панелей. Это требует доставку и монтаж в космосе крупноразмерных конструкций, которые невозможно переправить на орбиту целиком за один раз. Требуется провести большого количества пусков ракетоносителей, проведение сложной, дорогостоящей сборки крупногабаритных конструкций в космосе.
Большие массогабаритные параметры, сложная сетевая конструкция космического сегмента подвержена воздействию агрессивной среды космического пространства, повышает риск выхода из строя ее отдельных узлов и оборудования в целом;
Известны также солнечные высотные электростанции на баз привязных аэростатов. Наиболее распространенными видами привязных аэростатов являются наполненные легким газом шаровидные оболочки и их сигарообразные формы (соответственно патенты RU 2046734 С1, 13.06.1991 и US 20090152391 А1, 04.03.2006), к которым снизу при помощи гибких строп подвешены корзины (патент RU 2026238 С1, 21.11.1991), чаще всего под размещение энергетических систем, систем видео наблюдения, метеорологических приборов, ретрансляторов и т.п. оборудования. Применение солнечных высотных электростанций на базе привязных аэростатов позволяет значительно сократить затраты на их создание и эксплуатацию, а также обеспечить сравнительно дешевой энергией потребителей. Однако высотные привязные аэростатные электростанции обладают рядом недостатков. Так, например, при изменении направленности ветра привязной трос будет скручиваться и разрушаться. Использование привязных аэростатов требует выделение большого участка земли, что является проблемой в густонаселенных регионах, индустриальных областях и районах активного земледелия.
При размещении привязного аэростата на высоте 20 км и полезной нагрузке 200 кг общая масса системы составляет 4 т.Если трос выполнен из кевлара, и его диаметр составляет 9 мм, масса троса - 2400 кг при длине 30 км. Кроме того к удерживающему тросу необходимо присоединить электропроводной кабель. При средних энергетических нагрузках 10-100 кВт его вес может составить до 700 кг/км, что значительно снижает энергетические возможности привязных аэростатов. Но за все приходится платить. Платой будет создание зон отчуждения, в которых будет введен запрет на полеты других летательных аппаратов, так как при столкновении троса с самолетом последний будет просто перерезан. Это обстоятельство ограничивает применение привязных дирижаблей в центральной Европе, но может быть весьма перспективно в северной Европе, Америке и России, то есть в странах с большими территориями, но с относительно низкими потоками воздушного транспорта.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является высотные солнечные электростанции, размещенные на летательных аппаратах легче воздуха, на поверхности которых нанесены гибкие солнечные элементы, а сами аппараты расположены выше облачного слоя [патенты на изобретения: RU №2377440 от 18.06.2008, F03G 6/00; RU №2389900 от 16.03.2009, F03G 6/00].
Однако недостатками данных электростанций являются:
Использование пленочных фотопреобразователей, обладающих по своей физической природе низким КПД;
Ежедневное проведение операций намотки на барабан и размотки с него трос-кабеля, которое значительно повышает риск аварии и износа агрегата.
Использование для получения электроэнергии только солнечного излучения только в хороших погодно-климатических условиях.
Привязные аэростаты крайне не стабильны в воздушном пространстве и создают значительные помехи движению авиационного транспорта.
Привязные аэростатов, поднятые на значительные высоты (выше 10-15 км) представляю собой помехи для воздушного транспорта. Кроме того они должны поднимать тяжелые толсто-жильные кабели, необходимые для передачи мощных энергетических потоков. Обеспечить такую грузоподъемность очень сложно, требуется создать аэростаты несколько сотен метров в диаметре. Использование дополнительной аэростатной разгрузки делает всю систему громоздкой и неустойчивой к ветровым нагрузкам, что снижает ее устойчивость и надежность. Система передачи энергии на базе привязных аэростатов под воздействием порывов ветра будут резко изменять свое пространственное положение, даже при использовании дополнительных стабилизирующих воздушных электродвигателей, создавая реальную угрозу воздушному авиатранспорту.
Привязные аэростатные системы легко уязвимы к воздействию атмосферного электричества, молний, а в зимнее время обледенению удерживающих тросов и электрических кабелей, что может приводить к их обрывам и, как следствие, к техногенным катастрофам.
Таким образом, предложенная высотная солнечная электростанция на базе привязных аэростатов не обеспечивает всепогодность, надежность и гибкость системы энергообеспечения, особенно в местах труднодоступных для передачи энергии, например в регионах крайнего Севера. А это в значительной степени усложняет и удорожает процесс создания таких систем.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося:
в увеличении количества потребителей получаемой электроэнергии в пространственно-распределенных труднодоступных регионах России,
в повышении уровня передаваемой энергии и надежности передачи энергии потребителям в независимости от погодных условий и времен года, при меньших размерах воздушного и наземного сегментов солнечной энергетической системы,
в возможности гибко и оперативно перераспределять энергетические потоки среди наземных потребителей энергии
в уменьшении зон и уровней экологического воздействия на среду обитания за счет уменьшения размеров энергетических потоков,
Ниже, при раскрытии сущности изобретения, описании его осуществления и использования, в том числе в частных случаях выполнения, будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известной, взятой за прототип, солнечной аэростатной электростанции, включающей в себя летательный аппарат легче воздуха, размещенный выше облачного слоя атмосферы, фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) солнечного излучения, систему дистанционной передачи энергии и наземный пункт приема энергии (НППЭ), отличается тем, что САМЭ, выполнена виде дистанционно управляемой дирижабельной платформы (ДП) дискообразной формы с электродвигателями, размещенными по ее краям. При этом, внутри корпуса ДП размещают замкнутую полость, заполненную газом легче воздуха, внешняя поверхность которой прозрачна для солнечного излучения, а нижняя составлена из N>1 зеркальных концентраторов солнечное излучение, каждый из которых обеспечивает концентрацию солнечного излучения на поверхности ФЭП. Причем внутри корпуса ДП дополнительно устанавливают преобразователь солнечного излучения в СВЧ излучение, антенное СВЧ устройство с блоком управления, радиатор и термомагистраль для отвода тепла. А на нижней поверхности ДП устанавливают термодинамический воздушный двигатель (ТВД) и воздушные тормозные якоря, причем ТВД соединяют с термомагистралью и оснащают системой нагрева воздушного потока проходящего через ТВД. А НППЭ размещают на подвижном основании и оснащают опорным СВЧ источником и блоком следящих ректенн преобразования СВЧ излучения в электрический ток. При этом, стабилизацию положения ДП в воздушном пространстве над НППЭ осуществляют созданием тяги винтов электродвигателей ДП и дополнительной тяги ДП путем разогрева воздушной среды и ускорением ее движения в термодинамическом воздушном двигателе ДП. А подъемную силу ДП обеспечивают подогревом газовой среды внутри замкнутой оболочки ДП.
Дополнительную стабилизацию ДП относительно НППЭ осуществляют путем регулирования объемов и пространственного положения воздушных якорей ДП. При этом сами воздушные якоря ДП выполняют в виде пленочных замкнутых полостей, наполненных газами легче и тяжелей окружающей среды, и снабжают регуляторами их объемов и пространственного положения относительно ДП.
При всем при этом САМЭ может быть использована для борьбы с аномальными атмосферными явлениями, зарождение которых связано с движением воздушных масс, путем осуществления стабилизации положения ДП в воздушном пространстве Земли над центрами зарождающихся очагов тайфунов и других аномальных явлений, зарождение которых связано с движением воздушных масс, и осуществлением энергетического воздействия на указанные очаги зарождения - СВЧ излучением.
Дискообразная форма ДП позволяет снизить лобовое сопротивление ДП ветровым воздушным потокам и одновременно повысить подъемную силу ДП при работе электродвигателей, размещенных по ее краям.
Использование замкнутой полости, внутри корпуса ДП, заполненной газом легче воздуха, внешняя поверхность которой прозрачна для солнечного излучения, а нижняя составлена из N>1 зеркальных концентраторов солнечное излучение, позволяет осуществлять слежение за Солнцем и обеспечивать концентрацию солнечного излучения в 500-1000 раз на ФЭП, что дает возможность повысить КПД преобразования солнечного излучения в СВЧ излучение до 40-60%. Например, на базе использования инвертированных метаморфных многопереходных (ИММ) быстродействующих солнечных элементов на интерметаллических полупроводниках, имеющих от трех до 20 слоев (IMM Inverted Meta Morphic Multi Junction solar cells).
(Для справки, эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию при концентрации солнечного излучения до 500-1000 Солнц может составить 41.6-44.7%% для 3-4-слойных структур (3-е поколение), 50% для 5-6-слойных структур (4-е поколение) и 68.2% (теоретический предел) для 20-слойных структур.)
Одновременно уменьшается размер используемых преобразователей (в 20-30 раз по диаметру), следовательно, резко снижаются габаритно-весовые характеристики преобразователей и их стоимость, повышается надежность и долговечность (работа в закрытом, защищенном пространстве).
Солнечная энергия преобразуется в СВЧ излучение и передается на Землю на НППЭ, где принятое излучение преобразуется в электричество. Микроволны могут передаваться через атмосферу Земли на частоте от 2,45 до 5,8 гигагерца, практически без потерь. Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ излучения - порядка 70-75%.
Однако, значительная часть солнечной энергии энергия будет переходить в тепловую энергия на преобразователе солнечного излучения в СВЧ излучение. Что делать с выделенной тепловой энергией на ДП?. В настоящей заявке предлагается часть тепловой энергии, с использованием радиатора внутри замкнутой полости ДП, направить на нагрев газовой среды внутри замкнутой полости, тем самым обеспечить дополнительную подъемную силу ДП. А другую часть тепловой энергии, по термомагистрале для отвода тепла, направить в термодинамический воздушный двигатель ДП, для создания в нем дополнительной воздушной тяги, путем разогрева воздушной среды внутри термодинамического воздушного двигателя и ускорения ее реактивного движения.
САМЭ планируется размещать на высотах 20-30 км. Почему именно 20-30 км, а не 10-12 км? Дело в том, что сила ветра, достигая своего максимума на высотах порядка 10 км (более 30 м/с), к высотам 20 км спадает и составляет менее 10 м/с. Кроме того, с возрастанием высоты подъема резко снижается плотность воздушных масс и нагрузки, воздействующие на конструкцию ДП в 30-60 раз. Также важно то, что пассажирские самолеты летают на высотах до 12 км и, следовательно, дирижабли не будут мешать воздушному движению.
Но за все приходится платить, и платой станут размеры аэростатов, достигающие объема в сотни тысяч кубометров гелия или водорода и диаметром порядка сотен метров. В течение дня солнечные элементы снабжают энергией двигатели, которые удерживают аппараты в заданном месте, а также коммуникационную аппаратуру. Но ночью солнечные батареи бесполезны и приходится использовать запасенную энергию. Энергию можно запасать и в аккумуляторных батареях, но они имеют очень большую массу, поэтому сейчас самым перспективным считается использование топливных элементов (ячеек).
ДП планируется размещать в стратосфере, в зоне велопаузы ветровых течений. Это зона располагается между слоями воздушных потоков в атмосфере, которые имеют вектора движения воздушных потоков противоположного направления. В этой зоне минимальные ветровые нагрузки на ДП. Опуская (поднимая) воздушные якоря в воздушные потоки находящиеся выше (ниже) пространственного положения ДП, можно организовывать дополнительную тягу, за счет воздействия выше (ниже) проходящих воздушных потоков на оболочку воздушных якорей. Тем самым, совместно с электродвигателями и термодинамическими воздушными двигателями обеспечивается стабилизация ДП относительно пространственной зоны размещения НППЭ. Усилия воздушных якорей можно регулировать изменением их пространственного положения (выше, ниже) относительно ДП и размерами их оболочек (например, подкачивая горячим (холодным) газом).
НППЭ планируется размещать на подвижном основании. Для этого НППЭ оснащен опорным СВЧ источником и блоком следящих ректенн, что позволяет осуществлять его передислокацию в любое удобное для потребителей место. И одновременно обеспечивать взаимное сопряжение НППЭ и ДП независимо от климатических условий.
Высотные дирижабельные платформы обеспечивают свое функционирование в стратосфере (17-35 км). С этой высоты достаточно хорошо могут наблюдаться аномальные атмосферные явления, зарождение которых связано с движением воздушных масс, например, очаги зарождающихся тайфунов и других атмосферных аномалий. САМЭ можно свободно перемещать в стратосфере и стабилизировать ее пространственное положение над зарождающимися аномальными атмосферными явлениями. САМЭ обладает значительным энергетическим потенциалом СВЧ излучения, что позволяет ему осуществлять энергетическое воздействие на них СВЧ излучением.
Таким образом САМЭ приобретает новое уникальное качество - энергетическое воздействие на аномальные атмосферные явления, зарождение которых связано с движением воздушных масс.
Предложенное выполнение системы позволяет значительно увеличить количество наземных потребителей энергии и обеспечить ее поставку в пространственно-распределенные труднодоступные регионы России. При этом обеспечивается повышение гибкости и надежности передачи энергии потребителям в независимости от погодных условий, времен года. Одновременно значительно уменьшаются затраты на монтаж и эксплуатацию САМЭ.
Существенным достоинством предлагаемого технического решения также является то, что наращивание энергетического потенциала САМЭ может осуществляться путем увеличения размеров замкнутой полости пленочного концентратора солнечного излучения ДП
Сущность настоящего изобретения поясняется фиг. 1-3:
на фиг. 1 - солнечная высотная аэростатно-мобильная электростанция (ВАМЭ), где
1 - дистанционно управляемая дирижабельной платформы (ДП) с электродвигателями,
2 - термомагистраль для отвода тепла,
3 - электродвигатели ДП с воздушными винтами,
4 - наземный пункт приема энергии (НППЭ),
5 - блоком следящих ректенн преобразования СВЧ излучения в электрический ток,
6 - антенное СВЧ устройство с блоком управления,
7 - термодинамический воздушный двигатель (ТВД),
8 - N>1 зеркальных концентраторов солнечное излучение,
9 - преобразователь солнечного излучения в СВЧ излучение,
10 - замкнутая полость, заполненная газом легче воздуха, внешняя поверхность которой прозрачна для солнечного излучения,
11 - опорный СВЧ источник,
12 - радиатор ДП,
13 - служебный модуль управления ДП с приборно-агрегатным отсеком,
14. - ФЭП солнечные панели,
на фиг. 2 - схема стабилизации ДП относительно НППЭ, где
1 - дирижабельной платформы (ДП) с электродвигателями,
3 - электродвигатели ДП с воздушными винтами,
4 - наземный пункт приема энергии (НППЭ),
7 - термодинамический воздушный двигатель (ТВД),
10 - замкнутая полость, заполненная газом легче воздуха, внешняя поверхность которой прозрачна для солнечного излучения,
14 - регуляторы объемов и пространственного положения воздушных якорей,
15 - воздушные тормозные якоря.
на фиг. 3 - схема воздействия СВЧ излучения САМЭ на зарождающиеся очаги атмосферных аномалий, где
1 - дирижабельной платформы (ДП) с электродвигателями,
16 - центр очага зарождающегося аномального явления, в воздушном пространстве Земли.
Суть предлагаемого технического решения заключается в создании гибкой пространственно-распределенной системы энергообеспечения наземных и воздушных потребителей энергией на значительной территории Земной поверхности в любых погодных условиях, вне зависимости от климатических и метеорологических условий.
Дистанционно-управляемая дирижабельной платформы (ДП) 1 с электродвигателями 3, способна обеспечивать перемещение и, стабилизацию своего положения, над облачным покровом, на высотах 20-30 км, в заданных точках воздушного пространства поверхности Земли.
Солнечная энергия беспрепятственно попадает на поверхность ДП 1. Часть солнечной энергии попадает на периферийную часть поверхности ДП, где размещаются панели ФЭП 14 и преобразуется в электрический ток. Эта энергия используется для энергообеспечения аппаратуры и служебного модуля управления 13, а также электродвигателей 3 ДП. Вторая часть световой энергии проходит через прозрачную оболочку замкнутой полости 10 и N>1 зеркальными концентраторами 8 направляется на поверхности 9 преобразователь солнечного излучения в СВЧ излучение. Зеркальные концентраторы 8 осуществляют концентрацию солнечного излучение в 500-1000 раз на поверхности преобразователь солнечного излучения в СВЧ излучение 9, что позволяет повысить КПД преобразования солнечного излучения в СВЧ излучение и значительно снизить размер самих преобразователей 9. СВЧ излучение, с помощью антенного СВЧ устройства 6, направляют на опорный СВЧ источник 11, совмещенный с блоком следящих ректенн 5 и преобразуют в электрический ток в наземном пункте приема энергии 4 (НППЭ) для обеспечения потребителей энергией.
Служебный модуль управления 13 обеспечивает управление ДП и его сегментами, средствами обеспечения безопасности, сбора данных о состоянии атмосферы по направлениям передачи энергии и в местах расположения наземных ректенн
ОБЩАЯ СХЕМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ САМЭ
Солнечный свет, концентрируемый на преобразователе солнечного излучения в СВЧ излучение 9, преобразуется в СВЧ излучение и передается на НППЭ 4 через слои атмосферы практически без потерь. Антенное СВЧ устройство 6, работающие на частотах, 2.45, 4.8 ГГц, с учетом навигационных данных и данных о состоянии атмосферы, строго ориентируется на опорный СВЧ источник 11, наземной ректенны 5. Размеры антенного СВЧ устройства 6 можно уменьшить до нескольких метров, а блок следящих ректенн СВЧ излучения 5 можно сформировать на основе высокоэффективных и надежных (с КПД долее 80%) электронных циклотронных преобразователей, нечувствительных к перегрузкам, что особенно важно для мощных систем беспроводной передачи энергии.
Зоны возможного приема выбираются по минимально возможному углу вертикали, исключающему бесконтрольное облучение объектов промышленности, инфраструктуры, жилых районов. Атмосфера при этом практически всепогодно радиопрозрачна для микроволновых систем, несмотря на высокую и плотную облачность, в том числе в высоких широтах нашей страны.
Когда ДП 1 находится на освещенной части поверхности Земли, энергия солнечного излучения на ФЭП солнечных панелей 14 преобразуется в электрический ток, необходимый для питания суперконденсаторов (не показан), и электродвигателей 3 с воздушными винтами ДП, а энергия солнечного излучения, концентрируемая на преобразователе солнечного излучения в СВЧ излучение 9, направляется на НППЭ 4.
Когда ДП 1 находится на неосвещенной части Земли, электрический ток необходимый для функционирования ДП 1, вырабатывается из суперконденсаторов (не показан). Тем самым обеспечивается круглосуточная работа САМЭ.
САМЭ представляет собой всепогодный, роботизированный, высокоэнергетический, энергетический комплекс, размещаемый выше авиотранспортных магистралей и облачного покрова Земли. Это свойство позволяет создать сеть энергетических систем оперативного энергообеспечения наземных стационарных и мобильных объектов, а также перспективных электротранспортных систем (автомобильный, речной, морской, воздушный транспорт и т.д.).
Выше перечисленные отличительные признаки предлагаемой высотной солнечной аэростатно-мобильной электростанция позволяют ее использовать в качестве перспективного энергетического комплекса XXI-века для энергообеспечения наземных и воздушных объектов в труднодоступных регионах Земного шара.
Таким образом, представленный перечень отличительных признаков является существенным для решения поставленных целей и задач и достижения технического результата.