Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет КПД передачи излучения СВЧ с солнечной космической электростанции на Землю

Введение

космический солнечный электростанция излучение

Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получить в реакторах-размножителях плутоний. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212 г.н.э. с помощью концентрированных солнечных лучей зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде Приблизительно в то же время греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса римского флота.

Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. [1]

1. Рентабельность развития солнечной космической электростанции (СКЭС)

Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: «Исследования мировых пространств реактивными приборами». Он писал: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле».

Верхней границы атмосферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количестве 5,6*10²⁴ Дж. Атмосфера Земли отражает 35% этой энергии обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл и образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра.

Среднегодовое количество солнечной энергии, поступающей за 1 день на 1 м² поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м² на севере до 21,4 МДж/м² в пустынях и тропиках.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Она используется для получения горячей воды, опреснения морской или минерализированной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.

Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.

Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управления.

Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей - устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость. Одним из преимуществ ФЭП является высокий КПД (до 42,8%). [2]

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения.

Идея сооружения международной опытной солнечной космической электростанции (СКЭС), подающей электроэнергию земным потребителям, возникла в 1960 году и не сходит с тех пор со страниц популярных и научных изданий.

Рисунок 1.1 - Общая схема СКЭС

Целесообразность создания СКЭС диктуется неисчерпаемостью солнечной энергии, экологическими соображениями и необходимостью сохранять ныне широко применяемые природные энергоносители (нефть, газ, уголь).

2. Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения (ФЭП)

Фотоэлектрический (или фотовольтаический) метод преобразования солнечной энергии в электрическую является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Впервые на перспективу его использования в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в 30-е годы один из основателей советской физической школы академик А.Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии этот показатель увеличился до 42,8%.

Рисунок 1.2 - Солнечные батареи

Механизм преобразования солнечного света в электричество отличается от других способов получения электричества. Особенности этого метода определяют возможности и перспективы его использования в широких масштабах (рисунок 1.2).

В фотовольтаическом методе получения электричества нет механических перемещений деталей конструкции. Он основан на свойствах полупроводниковых материалов и их взаимодействии со светом. В фотовольтаическом элементе свободные носители образуются в результате взаимодействия полупроводника со светом, а разделяются под действием электрического поля, возникающего внутри элемента. До недавнего времени практически все фотоэлементы изготавливались из кристаллического кремния, однако сейчас все более широкое применение находят и другие материалы.

Явление фотоэффекта основано на преобразовании световой энергии (энергии электромагнитного излучения) в электрическую. Различают три вида фотоэффекта:

1. внешний - вырывание электронов из поверхности тел под действием света;

2. внутренний - изменение электропроводимости полупроводников и диэлектриков под действием света;

3. запирающегося слоя - возбуждение электродвижущей силы на границе между проводником и светочувствительным полупроводником.

Для целей преобразования энергии электромагнитного излучения практически может быть применен только фотоэффект запирающегося слоя (фотоэффект на р-n переходе).

Элекронно-дырочный переход или р-n переход представляет собой некоторую область между двумя частями вещества с разным типом проводимости (рисунок 1.3). В изолированном от внешних воздействий (света и теплоты) образце в этой переходной зоне возникает взаимная диффузия избыточных носителей тока, приводящая к образованию двойного электрического слоя объемных зарядов - контактного электрического поля, напряженность которого направлена от области n-типа к области р-типа. [3]

Оптимальным материалом для солнечных ФЭП является в первую очередь арсенид галлия (GaAS). Разработка высокоэффективных ФЭП на основе материалов с широким диапазоном изменения позволит на практике перейти к использованию сочетаний различных типов ФЭП и реализации идей сложных, например гетерогенных и каскадных, фотоэлектрических устройств, позволяющих использовать весь спектр солнечного излучения.

В последнее время для изготовления фотоэлементов стало возможным использование ряда новых материалов. Один из наиболее перспективных - аморфный кремний, который в отличие от кристаллического не имеет регулярной структуры. Для аморфной структуры вероятность поглощения фотона и перехода в зону проводимости больше. Таким образом, по поглощательной способности этот материал значительно превосходит кристаллический кремний. Для нужд полупроводниковой энергетики его можно использовать в виде тонких, толщиной около 0,5 мкм, пленок.

Рисунок 1.3 - Принцип работы солнечных батарей

Поскольку на элементы из аморфного кремния расходуется меньше материала и технология их изготовления проще, они дешевле. Стоимость электричества, получаемого от фотоэлектрических систем электроснабжения, проявляет четкие тенденции к снижению. Так если в конце 80-х годов прошлого века, на заре развития отрасли, солнечные батареи промышленного образца генерировали электричество стоимостью $2 за кВт*ч, то на сегодняшний день этот показатель снизился до отметки в $0,3, а к 2020 году можно рассчитывать на трехкратное снижение стоимости вырабатываемой электроэнергии - для крупных фотоэлектрических энергосистем промышленного назначения, и на двукратное снижение - для бытовых «солнечных» установок. [4]

Способность луча солнечной энергии проникать из космоса на Землю в виде СВЧ энергии составляет интересную проблему для многих дисциплин техники и физики. С точки зрения электромагнитизма, эта задача вызывает много споров, которые необходимо разрешать, не ограничиваясь атмосферными потерями, размерами антенн (как в космосе, так и на земле), шириной, точностью и плотностью мощности прошедшего пучка на поверхности Земли. Ссылочный бюджет для беспроводной передачи энергии с геостационарной орбиты (ГО) до ректенны, расположенной на Земле может быть рассчитан с использованием уравнений передачи Фриис в случае больших расстояний. Однако если угловая апертура и форма пучка выбраны так, что передающая и приемная апертуры удовлетворяют условию Френеля, может быть получена высокая эффективность передачи. [5]

3. Беспроводная передача энергии с использованием уравнения передачи Фриис

Энергия, поступающая на землю с геостационарной орбиты, может быть вычислена из уравнения передачи Фриис (1). Иллюстрация этого показана на рис. 2.1, где расстояние R - расстояние до спутника на геостационарной орбите. Энергия, собранная приемной антенной с эффективной площадью А_r при передаче с телесным углом Щ задается источником излучения L и геометрической пропускной способностью A_rЩ, как показано в уравнении

Рисунок 2.1 - Иллюстрация геометрии передачи

Прежде чем приступить к расчету, надо определить некоторые термины:

* А_r,t: эффективная площадь приемной или передающей антенны;

* : эффективность приемной или передающей антенны;
* Щ_t: телесный угол, под которым видна передающая антенна с эффективной площадью А_t: ();

* D: направленность антенны - отношение ее телесного угла к телесному углу изотропного излучателя: ();

* Пропускная способность: произведение площади апертуры и телесного угла: ().

В случае больших расстояний телесный угол передающей антенны может быть определен через площадь поперечного сечения пучка (A_b), как показано в уравнении (2). Это же определение через направленность представлено в уравнении (3).

Дифракция - причина распространения пучка электромагнитной энергии под углом, определенном в уравнении (4). Это приводит к тому, что площадь луча на земле определяется как показано в уравнении (5), где d-размер, принимающий форму квадрата апертуры. Если принимающая апертура по площади равна площади пучка, то следует ожидать 100% эффективность передачи, (то есть КПД антенны 100%, нет атмосферных потерь и т.д.)

С увеличением длины волны (или с уменьшением частоты) или будет пропорционально увеличиваться площадь апертуры, или луч будет распространяться в пропорционально большем телесном углу. Таким образом, большие апертуры необходимы для эффективной передачи на более низких частотах. Отношение мощности излучения к пропускной способности приемника может быть использовано для нахождения получаемой энергии.
Энергия излучения определяется по формуле (6). Определение принимаемой энергии P_r, показанной в уравнении (7) является широко распространенной формой формулы передачи Фриис.

Полезной величиной является эффективность передачи, которая может быть определена как отношение полученной энергии к переданной. Это уравнение может быть использовано для объединения эффективностей антенн путем эффективных участков произведением апертур и КПД антенны. Выражение в формуле (8) может быть использовано для оценки эффективности передачи, если пренебречь всеми другими потерями. Максимальное значение эффективности равно 1 (когда Pr= Pt). Эта

оптимальная эффективность реализуется, когда эффективность каждой антенны составляет 100%, а эффективная площадь принимающей антенны равна площади поперечного сечения телесного угла, под которым видна передающая антенна на расстоянии R.

На рис 2.2 показана эффективность передачи как функция зависимости от площади принимающей антенны при частоте 2,45 ГГц. Вычисления предполагают, что площадь передающей антенны равна 7,854Ч10⁵ м², а ее КПД - 100%. Кривые показывают, что необходима чрезвычайно большая площадь ректенны для достижения КПД передачи более 25%. Кроме того, максимальная эффективность передачи в каждом конкретном случае
равна КПД приемной антенны. И КПД передачи будет еще меньше, если не пренебрегать другими источниками потерь.

Рисунок 2.2 - Зависимость КПД передачи от площади ректенны (км²) при частоте излучения 2,45 ГГц

Если частота излучения возрастет до 5,8 ГГц, направленность передающей антенны также увеличится, и освещаемая площадь на земле уменьшится. Следовательно, потребуется меньшая площадь ректенны, чтобы обеспечить высокий КПД передачи, как показано на рисунке 2.3. Однако КПД на ректенне сложно поддерживать на высоких частотах из-за жестких физических допусков на малой длине волны.

Рисунок 2.3 - Зависимость КПД передачи от площади ректенны (км²) при частоте излучения 5,8 ГГц

Если рабочая частота остается на уровне 5,8 ГГц, а КПД передающей антенны снижается до 75%, то эффективность передачи падает до значений, показанных на рисунке 2.4. Луч дифрагируя создает необходимость в увеличении площади ректенны для того, чтобы установить удовлетворяющую эффективность передачи энергии от передающей антенны до ректенны.

Рисунок 2.4 - Зависимость КПД передачи от площади ректенны (км²) при частоте излучения 5,8 ГГц и КПД антенны 75%

Выводы

В данной курсовой работе была рассмотрена передача энергии с солнечной космической электростанции на Землю в виде СВЧ излучения.

В расчетной части представлены формулы для расчета КПД передачи энергии в виде СВЧ излучения с СКЭС на Землю. По результатам расчетов построены графики зависимости эффективности передачи от площади ректенны.

На графиках видно, что зависимость КПД от площади ректенны прямолинейна. Это объясняется тем, что полученная мощность излучения прямопропорционально зависит от передаваемой мощности.

Также можно отметить, что максимальный КПД передачи достигается, когда эффективная площадь ректенны равна поперечному сечению пучка излучения на Земле.

Перечень ссылок

1. Грилихес, В.А. Солнечные космические электростанции [Текст] / В.А. Грилихес. - Л.: Наука, 1986. - 182 с.

2. Новый мировой рекорд - КПД солнечных батарей достиг 43% [Электронный ресурс] / MyDiv Portal - Режим доступа: www/URL:

http://news.mydiv.net/news/view-43-percent-New-solar-power-world-record.html - 03.09.2009 г. - Загл. с экрана.

3. Розеншер, Э. Оптоэлектроника [Текст] / Э. Розеншер, Б. Винтер. - М.; Техносфера, 2004. - 588 с.

4. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии [Электронный ресурс] / П.-Юпитер. - Режим доступа: www/URL:

http://bibliotekar.ru/alterEnergy/index.htm - 1996 г. - Загл. с экрана.

5. Диденко, А.Н. СВЧ-энергетика. Теория и практика [Текст]/А.Н. Диденко. - М.; Наука, 2003. - 448 с.