Elektrownia orbitalna – proponowany wyuczony księżyc usytuowany na wysokiej orbicie, włączony kiedy elektrownia słoneczna i przesyłający energię na Ziemię za pomocą mikrofal do specjalnej anteny odbiorczej. Zaletą w stosunku do tradycyjnych elektrowni słonecznych byłoby nieprzerwane wystawienie jego ogniw na światło Słońca, nie zmieniające się w relacje od pogody, pory dnia ani pory roku. Wartość takiej konstrukcji jest atoli nader nierzeczywisty a prawdopodobnie być płeć piękna rozważana jeno w owym czasie, jak co najmniej jeden z poniższych warunków zostanie spełniony:
- loty orbitalne daleko stanieją,
- przemysł orbitalny umożliwi konstrukcję takich elektrowni z materiałów zza Ziemi,
- ceny energii wysoko wzrosną,
- zostaną podjęte decyzje o ograniczeniu wyczerpania paliw kopalnych i przestawieniu przemysłu na alternatywne źródła energii.
Artystyczna wyobrażenie elektrowni orbitalnej.
Spis treści
//
Historia
Projekt elektrowni orbitalnej. NASA, 1976 r.
Pierwsze projekty elektrowni orbitalnej pochodzą z lat sześćdziesiątych XX wieku. Konkluzje były pod dostatkiem krytyczne, tak aby przez kolejnych 20 lat założenie nie był kontynuowany.
Na początku XXI wieku pojawiły się pomysły odświeżenia projektu, w USA. W obecnej chwili projekty te nie są szerzej finansowane.
Opis
Główne elementy elektrowni orbitalnej to:
- kolektor, średnio skonstruowany z baterii słonecznych,
- antena mikrofalowa, skierowana na Ziemię,
- duża antena odbiorcza, umieszczona na powierzchni Ziemi.
Kolektor nasłoneczniony przypadkiem mieć konstrukcję podobną kiedy jego naziemne odpowiedniki. Nieważkość i niedostatek czynników pogodowych pozwala niemniej porzucić z wielu elementów konstrukcyjnych, co prawdopodobnie o wiele zniżyć jego masę. Wymagane jest tylko utrzymywanie go w całości i okazja obracania, właśnie żeby był zorientowany przez pełny okres w stronę Słońca.
Uzyskanie skupionej wiązki mikrofal z odległości sięgającej orbity geostacjonarnej wymaga anteny nadawczej o średnicy wokół kilometra. Antena odbiorcza powinna mieć wówczas naokoło 10 km średnicy. W sąsiedztwie natężeniu mikrofal obok powierzchni Ziemi 230 W/m², umożliwi to przesyłanie 5-10 gigawatów mocy.
Problemy
Wartość wyniesienia na orbitę
Podstawowym problemem jest cena wyniesienia konstrukcji na orbitę. Dzisiaj koszt wyniesienia na orbitę sięga 6-11 tys. $ za tysiąc gramów. Wedle szacunków, tak aby elektrownia orbitalna była opłacalna, wartość ta musi zmniejszyć się do 400-500 $/kg.
Przy analizie wypada brać pod uwagę faktor skali. Wielokrotne loty mogą opuszczać średni wartość wyniesienia kilograma na orbitę. Ażeby dowieść jaka kwota lotów jest potrzebna, załóżmy na przykład użytek niezmiernie lekkich ogniw, o masie 1 kg na uzyskiwany kilowat. 4 GW elektrownia będzie wymagała minimalnej masy 4 tys. dźwięk. Oznacza to co w żadnym razie 40-80 kursów wielkoładunkowych (HLLV) do wyniesienia elementów na niską orbitę. Stamtąd używając silników jonowych mogą one stać się roztropnie wyniesione na wyższą orbitę. Szacując cena jednego kursu na 500 milionów $, otrzymujemy kumulacyjny cena 20-40 miliardów $.
Istnieje parę pomysłów znacznego obniżenia tej wartości, w oparciu o potencjalnie realizowalne technologie:
- Zbudowanie paneli z materiałów księżycowych. Wartość wyniesienia analogicznej masy z powierzchni Księżyca byłby kilkadziesiąt bicie pomniejszy. Dokonanie tego wymaga opracowania technologii wydobycia materiałów z Księżyca, wyprodukowania na miejscu ogniw, i produkcji na miejscu paliwa do rakiet.
- Wykorzystanie planetoid. Potencjalnie względnie lekki wehikuł nadzwyczajny mógłby przyholować na orbitę planetoidę zawierającą wystarczającą liczba materiałów. Do tej pory nie przeprowadzono lecz żadnych prób kontrolowanej modyfikacji trajektorii planetoidy. Na dodatek myśl ta wymaga zbudowania odpowiedniej infrastruktury przetwórczej na orbicie.
- Wyniesienie elektrowni za pomocą windy kosmicznej. Takie sposób byłoby najtańsze i nie wiązałoby się z dodatkowymi komplikacjami. W tym momencie nie istnieją niemniej włókna z których wolno by stworzyć windę kosmiczną. Duże nadzieje wiązane są z pracami powyżej nanorurkami węglowymi.
Bezpieczeństwo
Wykorzystanie mikrofal do przesyłania energii jest w najwyższym stopniu kontrowersyjnym elementem projektu. Kontrowersje te są jakkolwiek głównie efektem nieporozumienia, albowiem używana splot mikrofal nie będzie w stanie zrobić żadnych szkód.
Na powierzchni Ziemi, wielkość wiązki w jej ognisko ma dawać w wyniku dookoła 230 W/m². Stanowi to mniej aniżeli 1/5 stałej słonecznej. Nie jest toteż możliwe spalenie, ani co więcej istotne podgrzanie niczego taką wiązką. Badania pokazują, że takie moc nie wyrządza szkód żywym istotom co więcej w pobliżu ciągłej ekspozycji. Prócz obszarem anteny odbiorczej wielkość mikrofal będzie wynosiło pod 10 W/m² i żwawo malało z odległością od anteny. Niebezpieczeństwo z poprzednio związane nie jest większe od powodowanego przez użytek telefonów komórkowych.
Ekonomia
Kolektor nasłoneczniony na orbicie okołoziemskiej nie wymaga wsporników.
Konkurencyjność elektrowni orbitalnej zależy od cen energii i jest powiązana z dostępnością alternatywnych jej źródeł. Traf umieszczenia taniej anteny odbiorczej na dowolnym obszarze, pozwala dotyczyć taką elektrownię jak elastyczne źródło energii do obszarów dokąd jest płeć słaba najdroższa.
Przykładowo 4 GW elektrownia, działająca nieustająco przez 99% czasu wytwarzałaby naokoło 35 TWh energii w ciągu roku. W sąsiedztwie obecnych cenach energii w USA (wokół 5 centów za kWh), oznacza to 1,75 mld $ na rok, inaczej 35 mld $ w ciągu 20 lat działania. Jest to widać mniej aniżeli wyniósłby wartość konstrukcji. Z drugiej okolica, wartość energii w Wielkiej Brytanii sięga 22 centów za kWh, co oznacza dookoła 150 mld $ zysku w ciągu 20 lat.
Porównanie z paliwami kopalnymi
Współcześnie dookoła 85% energii wykorzystywanej przez człowieczeństwo pochodzi z paliw kopalnych. Jej wartość zależy wówczas w dużej mierze od dostępności i cen wegla, ropy naftowej i gazu ziemnego. Ich zasoby są aczkolwiek ograniczone (zobacz Peak Oil) i ciągłe nasilenie zapotrzebowania związane z rozwojem państw takich kiedy Państwo Środka i Republika indii sugeruje, że ceny te będą z upływem czasu rosnąć.
Porównanie z energetyką jądrową
Energetyka jądrowa jest czystszą i z większym natężeniem efektywną alternatywą na rzecz paliw kopalnych. Elektrownie orbitalne posiadają ponad nią niemniej jednak zastęp zalet, mogących usprawiedliwić większe koszty:
- brak odpadów promieniotwórczych,
- brak niebezpieczeństwa katastrofy (wyłączając ryzykowny krok związane z samymi lotami orbitalnymi),
- niezależność od dostępności paliw rozszczepialnych,
- brak zagrożeń związanych z rozprzestrzenieniem broni jądrowej.
Z drugiej okolica, jednakowo podczas gdy energetyka jądrowa, elektrownie orbitalne mogą być postrzegane przez obywatele jak niebezpieczne.
Porównanie z energetyką fuzyjną
Fuzja jądrowa stanowi potencjalnie nieograniczone źródło czystej energii. Elektrownie wykorzystujące to widziadło produkowałyby w dużym stopniu mniej odpadów od elektrowni atomowych, korzystały z łatwo dostępnego paliwa i nie wiązałyby się z żadnym ryzykiem katastrofy. Acz nie bacząc na intensywnych prac prowadzonych od kilkudziesięciu lat, są one bez ustanku nie wcześniej w fazie projektów. Funkcja tej technologii jest uzależnione od dalszych przełomów w inżynierii materiałowej i fizyce plazmy. Współcześnie największe nadzieje wiązane są z 10-miliardowym projektem ITER, jaki ma wykopać fundament aktywność w 2016 roku.
Elektrownie orbitalne z kolei nie wymagają opracowania żadnych nowych technologii, a tylko ich opłacalność jest uzależniona od zmniejszenia kosztów dzisiaj znanych rozwiązań.
Porównanie z naziemną energetyką słoneczną
Większość obszarów Europy, w szczególności Stary kontynent Północna, położone są na zbytnio dużej szerokości geograficznej, żeby dostawać duże insolacja. Jest to jeden z powodów na rzecz których energetyka słoneczna nie jest w tamtym miejscu konkurencyjna. Ceny ogniw słonecznych żwawo acz maleją i z upływem czasu pole tej energetyki być może wzrosnąć.
Nawet w pobliżu znacznym spadku cen ogniw, elektrownia orbitalna bez ustanku posiada multum zalet w stosunku do dużych elektrowni naziemnych:
- Elektrownia naziemna wymaga kilkukrotnie większego obszaru. W związki od nasłonecznienia miejsca budowy, baterie słoneczne pokryłyby 4-10 baty większą powierzchnię aniżeli antena odbiorcza.
- Antena odbiorcza jest przezroczysta, linia prosta w konstrukcji i tania. Przypadkiem stać się wybudowana powyżej standardowo uprawianymi polami, nie zajmując tym samym użytecznego miejsca.
- Klasyczna elektrownia słoneczna nie produkuje energii w ciągu nocy. Oznacza to niezbędność dodatkowej infrastruktury do przechowywania energii, bez której być może pani serwować tylko w charakterze pomocnicze źródło energii na rzecz innych elektrowni.
- Czynniki pogodowe wpływają na skuteczność elektrowni naziemnych i powodują ich zużywanie. Ogniwa naziemne są również z większym natężeniem narażone na degradacja i trudniejsze do zastąpienia aniżeli anteny dipolowe.
- Położenie naziemnej elektrowni jest ustalone. Elektrownia orbitalna prawdopodobnie mieć wybudowanych nieco tanich anten odbiorczych i zwracać energię w obszar, dokąd jest płeć słaba chwilowo z większym natężeniem potrzebna i cenniejsza.
Porównanie z innymi odnawialnymi źródłami energii
Pozostałe odnawialne źródła energii (wigor wiatru, animusz wodna, werwa geotermalna itp.) mogą ukoić jeno część światowego zapotrzebowania. Ich manipulacja jest ograniczone głównie przez żyłka geograficzne. W 2005 roku w USA elektrownie wodne produkowały 6,5% całej energii, a pozostałe źródła odnawialne 2,3%.
Elektrownie korzystające z pływów, fal i prądów morskich mogłyby przynieść więcej energii, jakkolwiek wymagają jej przesyłania na duże odległości, co również wiąże się z dużymi kosztami.
Przypisy
- ↑ Power from the Sun: Its Future
- ↑ Patent mikrofalowego przekaźnika energii
- ↑ Glaser, P. E., Maynard, O. E., Mackovciak, J., and Ralph, E. L, Arthur D. Little, Inc., “Feasibility study of a satellite solar power station,” NASA CR-2357, NTIS N74-17784, Feb. 1974
- ↑ Satellite Power Układ Concept Development and Evaluation Oprogramowanie Reference Ustrój Report
- ↑ A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures, Concepts, and Technologies. John C. Mankins. International Astronautical Federation
- ↑ Pentagon Considering Study on Space-Based Solar Power
- ↑ Japan Developing SPS (Associated Press)
- ↑ Conceptual study of a SPS
- ↑ Reinventing the Solar Power Satellite
- ↑ Satellite Concept Power Systems Definition Study
- ↑ Figure 3.8.2.2-6. Orbital Options for Solar Power Satellite
- ↑ A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures, Concepts and Technologies
- ↑ A Hopeful View of the Human Future, Gerard K. O’Neill, ISBN 0-671-24257-1, P. 182-183
- ↑ World Consumption of Primary Energy by Energy Type and Selected Country Groups, 1980-2004
- ↑ Transition to sustainable markets Figure 3 shows approximately 9% decrease per year in costs for PV
- ↑ U.S. Energy Information Administration: Electric Power Generation by Fuel Type (2005)
- ↑ Annual Energy Outlook 2007 (Early Release)
Zobacz też
- energetyka
- energetyka słoneczna
- odnawialne źródła energii
- eksploracja kosmosu
Linki zewnętrzne
- The World Needs Energy from Space
- Space-Based Solar Power Efforts
- Reinventing the Solar Power Satellite”
- Japan’s plans for a Solar Power Station in Space
- Whatever happened to solar power satellites?
- Solar Power Satellite from Lunar and Asteroidal Materials