Солнечная космическая электростанция –энергетика будущего

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Балашова Е.А. 1

---

1ГУ "Гимназия №3 для одаренных детей" города Павлодара

Брус Т.М. 1

---

1ГУ "Гимназия №3 для одаренных детей" города Павлодара

Работа в формате PDF

776.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Цель: исследование метода получения электричества из энергии Солнца с помощью космической электростанции.

-преобразование энергии Солнца в полезную работу для электроснабжения космических аппаратов и обеспечение энергией Земли, что позволит снизить долю использования ископаемого топлива в энергетическом производстве

Гипотеза: космическая солнечная электростанция является наиболее эффективным способом добычи энергии, так как она позволяет получать солнечную энергию без атмосферных потерь, работать круглосуточно и обеспечивать стабильное энергосбережение без вреда для экологии. Если удастся решить технические и экономические проблемы, то такие станции могут стать основным источником чистой энергии в будущее.

Задачи исследования:

-изучить концепцию космических солнечных электростанций

-оценить преимущества и недостатки технологии

-рассмотреть современные разработки и будущие перспективы

- оценить возможность практической реализации проекта.

-исследовать метод получения электричества из энергии Солнца с помощью космической электростанции.

Объект исследования: космическая солнечная электростанция

Предмет исследования: способ передачи электроэнергии.

Методы исследования:

поиск, анализ и отбор информации по данной теме в разных источниках;

конструирование; проведение экспериментов.

Актуальность проекта: солнечная энергия универсальна, она принадлежит всем и никому одновременно

Новизна проекта солнечной электростанции в космосе как эффективного способа добычи энергии заключается в том, что за счёт размещения на орбите, вне действия плотных слоёв земной атмосферы, станция окажется гораздо эффективнее, чем земная электростанция таких же размеров.

Область практического применения: возможность передачи энергии в любую точку планеты

Практическая значимость: космическая солнечная электростанция примерно в восемь раз эффективнее, чем её земной аналог. За счёт того что в космосе нет атмосферы, солнечные панели работают эффективнее. За счёт отсутствия ночей и плохой погоды работоспособность увеличится ещё более чем вдвое. Кроме того, панели направлены на солнце всегда под идеальным углом

Предметом исследования: энергия Солнца

Проблема: получение энергии – сложный технический процесс, но, оказывается, есть альтернативная энергетика, доступная каждому жителю планеты Земля, а солнечная энергия самая актуальная.

Введение………………………………………………………… .7

I. Теоретическая часть…………………………………………… 9

1.1Солнечная энергия- возобновляемый источник энергии…… . 9

1.2. Что нужно знать о солнечной энергии…………………. 10

1.3. Как работает солнечная энергия?…………………………. 10

1.4 Устройство солнечной космической электростанции………….11

1.5 основные этапы работы станции………………. 13

1.6 концепция и принцип работы станции……………………… 13

1.7 Размещение солнечной космической электростанции в космосе…………. 15

II. Практическая часть…………………………………… 14

2.1.Изготовление модели солнечной электростанции………………………… 14

III. Заключение……………………………………………… 16

Список используемой литературы……………………………………17

Дневник……………………………………………………………… 18

Отзыв………………………………………………………………… 18

Приложение…….……………………………………………………… 19

1.Введение

Природные ресурсы нашей планеты истощаются быстро и бесследно. Перед учеными всего мира ставятся задачи снизить ущерб, наносимый человечеством, и при этом сохранить привычный образ жизни на Земле. Все более необходимым становится использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной. Интерес к проблеме использования солнечной энергии в последнее время существенно возрос. Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Сегодня развитие информационных и транспортных систем привело к разработке системы передачи энергии из космоса на Землю. Основой такой системы является солнечная космическая электростанция, проекты которой в последние годы обсуждаются во всем мире.

Тема проекта «Солнечная космическая электростанция – энергетика будущего».

Гипотеза: космическая солнечная электростанция является наиболее эффективным способом добычи энергии, так как она позволяет получать солнечную энергию без атмосферных потерь, работать круглосуточно и обеспечивать стабильное энергосбережение без вреда для экологии. Если удастся решить технические и экономические проблемы, то такие станции могут стать основным источником чистой энергии в будущее.

Размещенная на геостационарной орбите станция, сможет собирать солнечную энергию и преобразовывать ее в микроволны, а с помощью антенн преобразовывать их в электричество на Земле.

Цель: исследование метода получения электричества из энергии Солнца с помощью космической электростанции.

Преобразование энергии Солнца в полезную работу для электроснабжения космических аппаратов и обеспечение энергией Земли, позволит снизить долю использования ископаемого топлива в энергетическом производстве

Солнечная космическая станция будет обеспечивать энергией Землю, это снизит долю использования ископаемого топлива в энергетическом производстве.

Задачи исследования:

-изучить концепцию космических солнечных электростанций

-оценить преимущества и недостатки технологии

-рассмотреть современные разработки и будущие перспективы

- оценить возможность практической реализации проекта.

-исследовать метод получения электричества из энергии Солнца с помощью космической электростанции.

Объект исследования: космическая солнечная электростанция

Предмет исследования: способ передачи электроэнергии.

Методы исследования:

поиск, анализ и отбор информации по данной теме в разных источниках;

конструирование; проведение экспериментов.

Актуальность проекта: солнечная энергия универсальна, она принадлежит всем и никому одновременно

Новизна проекта солнечной электростанции в космосе как эффективного способа добычи энергии заключается в том, что за счёт размещения на орбите, вне действия плотных слоёв земной атмосферы, станция окажется гораздо эффективнее, чем земная электростанция таких же размеров.

Область практического применения: возможность передачи энергии в любую точку планеты

Практическая значимость: космическая солнечная электростанция примерно в восемь раз эффективнее, чем её земной аналог. За счёт того что в космосе нет атмосферы, солнечные панели работают эффективнее. За счёт отсутствия ночей и плохой погоды работоспособность увеличится ещё более чем вдвое. Кроме того, панели направлены на солнце всегда под идеальным углом

Предметом исследования: энергия Солнца

Проблема: получение энергии – сложный технический процесс, но, оказывается, есть альтернативная энергетика, доступная каждому жителю планеты Земля, а солнечная энергия самая актуальная.

2. Теоретическая часть

Солнечная энергия-возобновляемый источник энергии

Солнце – это основной источник энергии на земле и первопричина, создавшая большинство других энергетических ресурсов нашей планеты, таких, как запасы каменного угля, нефти, газа, энергии ветра и падающей воды, электрической энергии и т.д.

Энергия Солнца, которая в основном выделяется в виде лучистой энергии, так велика, что её трудно даже себе представить. Достаточно сказать, что на Землю поступает только одна двухмиллиардная доля этой энергии, но она составляет около 2,5*10¹⁸ кал./мин. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение луны, звёзд, космические лучи), так и внутренние (внутренние тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы каменного угля, нефти и т.д.) пренебрежительно малы.

Большая часть солнечной энергии, достигающей поверхности планеты, превращается непосредственно в тепло, нагревая воду или почву, от которых, в свою очередь, нагревается воздух. Это тепло служит движущей силой круговорота воды, воздушных потоков и океанических течений, определяющих погоду, и постепенно излучается в космическое пространство, где и теряется.

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

-экологическая безопасность установок;

-неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;

-низкая себестоимость получаемой энергии;

- доступность производства энергии;

-хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

-прямая зависимость количества вырабатываемой энергии отпогодные условия, времени суток и времени года;

-сезонность работы, которую определяет географическое расположение;

-низкий КПД;

-высокая стоимость оборудования.

Солнечная энергия является возобновляемым источником энергии, так как ее получение основано на использовании постоянного, неиссякаемого природного ресурса – солнечного излучения, а не ископаемого топлива. Она считается экологически чистой, поскольку в процессе активного использования не производит вредных выбросов в атмосферу, в отличие от сжигания угля, нефти и газа, что делает ее ключевой для борьбы с климатическим кризисом.  Солнечная энергия уменьшает углеродный след и не загрязняет окружающую среду, является экологически чистой. Может быть использована практически везде на Земле, где есть доступ к солнечному свету.  Солнечные системы требуют минимального ухода и могут эффективно работать десятилетиями. 

Как используется солнечная энергия?

С помощью фотоэлектрических (солнечных) панелей солнечный свет преобразуется в электричество. 

Солнечные коллекторы могут использоваться для нагрева воды и воздуха, что применяется для отопления домов и бассейнов. 

Солнечные системы могут быть как небольшими, для частных домов, так и крупномасштабными, например, солнечные электростанции (СЭС). 

2.1 Что нужно знать о солнечной энергии Солнечная энергия - это полезная энергия, которая генерируется Солнцем в форме электрической или тепловой энергии, улавливается различными способами, наиболее распространенным из которых является использование фотоэлектрических солнечных панелей, которые преобразуют солнечное излучение в полезное электричество. Кроме использования фотоэлектрических элементов для генерации электроэнергии, солнечная энергия используется не только для электроснабжения, но и для выработки тепловой энергии, для отопления или горячего водоснабжения. Владельцы жилой и коммерческой недвижимости могут устанавливать солнечные системы горячего водоснабжения и проектировать свои здания с учетом пассивного солнечного отопления, чтобы в полной мере использовать энергию солнца с помощью современных технологий.

Как работает солнечная энергия?

Солнечная энергия работает благодаря фотоэффекту, когда свет попадает на кремниевые фотоэлементы , высвобождая электроны и создавая постоянный ток. Затем этот постоянный ток преобразуется инвертором в переменный для использования в бытовых электроприборах. Избыточная энергия может накапливаться в аккумуляторах или подаваться в общую сеть.

Проектирование солнечных электростанций только, кажется простой задачей, этим должны заниматься специалисты. Компьютерная модель позволяет получить визуальную картинку будущей станции и размещения. Учитываются режимы её использования и варианты работы, выполняется расчет всех параметров станции.

Солнечные электростанции.

Все энергоносители на Земле, кроме ядерных, являются производными Солнца. Лауреат Нобелевской премии по физике академик Ж.И. Алферов считал, что «Ставка на солнечную энергетику должна рассматриваться как беспроигрышный вариант, но в долговременной перспективе и как безальтернативный выбор для человечества».

3.1 Устройство солнечной космической электростанции

Солнечная космическая электростанция состоит из солнечных панелей, которые преобразуют световую энергию Солнца в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта. Электричество накапливается в аккумуляторах и распределяется по потребностям космического аппарата или других объектов. Для повышения эффективности в космосе используются специализированные многопереходные панели, а также системы ориентации, которые направляют панели на Солнце. Наиболее эффективное расположение космической солнечной электростанции- геостанционарная орбита

Одним из факторов использования этой станции по сравнению с земной является интенсивность потока солнечной энергии. В ясную погоду максимум солнечного потока на Земле в 1,2 раза меньше; средняя интенсивность света в 3 раза меньше максимальной за счет смены дня и ночи; дополнительно интенсивность уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей в зависимости от широты местности и значительно снижается в облачную погоду. Целесообразность использования солнечной энергии для потребителей не вызывает сомнений, и это направление имеет широкие перспективы.

А как же нам передавать эту энергию? Не тянуть же нам провода из космоса. Очевидно, что нужно использовать беспроводную передачу энергии. Данная станция будет совершать плановую подзарядку других космических аппаратов и станет незаменимым помощником в случае космических аварий. Преимущества солнечных электростанций в космосе

1.Неограниченный доступ к солнечному свету- отсутствие ночного времени и атмосферных помех. 2.Экологичность-нулевые выбросы углекислого газа 3.Высокая эффективность -производительность выше , чес у наземных солнечных панелей 4.Глобальное покрытие- возможность передачи в любую точку планеты.

Почему получать солнечную энергию на Земле не эффективно?

По данным НАСА, примерно 29% солнечной энергии отражается обратно из-за земной атмосферы и рассеивается в космосе. Вдобавок ко всему, еще 23% солнечной энергии поглощает водяной пар, озон и пыль при прохождении через атмосферу. В конце концов, только 48% солнечной энергии достигает нашей планеты. Поэтому солнечные батареи на Земле получают в лучшем случае половину энергии от первоначального количества. Но еще есть проблема и в самих батареях, их максимальная эффективность около 22%: речь о нелабораторных условиях. Ну и главное, солнечные панели работают только в светлое время суток. Поэтому нужно есть идея получать энергию напрямую от Солнца. Как работает космическая солнечная энергия? Космическая солнечная энергия (SBSP) — это идея сбора солнечной энергии в космосе с помощью спутниковых солнечных панелей. Дальше она беспроводным способом попадает на Землю. По данным Европейского космического агентства (ЕКА), свет от Солнца за пределами атмосферы в 11 раз интенсивнее. Поэтому спутниковые солнечные панели могут обеспечить огромное количество энергии, которое человечество даже не сможет потратить.

Кроме того, спутниковым панелям не угрожает плохая погода и заход Солнца. Из космоса эти устройства смогут передавать энергию в любое место на Земле, поэтому нужно только вывести спутники на оптимальную орбиту.

Запуск солнечных панелей в космос поможет решить не только энергетические проблемы, а также социальные и политические конфликты. В настоящее время многие страны зависимы от поставок ископаемого топлива, а ограниченные поставки нефти и углерода вызывают серьезные международные конфликты. Солнечная энергия поможет обеспечить энергетическую независимость. Также эту энергию можно экспортировать практически в любую точку земного шара.

Космическая солнечная энергетика предполагает сбор солнечной энергии прямо в космосе с дальнейшей передачей на Землю. Для этого необходимо запустить на орбиту огромный космический корабль, оснащённый солнечными батареями. Эти панели будут генерировать электроэнергию и отправлять её при помощи высокочастотных радиоволн на специальные приёмники, расположенные на Земле, а они уже будут преобразовывать волны в электричество Беспроводная передача электроэнергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или лунной станции к Земле

3.Практическая часть

3.1.Изготовление модели солнечной электростанции

Для изготовления макета солнечной электростанции мы использовали лист ПВХ размером 50×50 см в качестве основы. На нём разместили 14 солнечных батарей размером 16×11 см каждая. Сначала на самоклеящейся бумаге были распечатаны разметки — места, куда должны крепиться батареи.

После этого солнечные панели аккуратно установили по разметке и расположили их в форме окружности. Далее отпаяли и соединили провода, чтобы объединить батареи в единую электрическую цепь. К каждой батарее были припаяны дополнительные провода, которые проводят ток и выводят его к общей точке подключения.

Таким образом, получился действующий макет солнечной электростанции: он наглядно показывает принцип соединения солнечных батарей и их совместную работу для выработки электроэнергии. Энергия будет передаваться микроволнами, мы покажем это через беспроводную зарядку.

Затраты на изготовление космической солнечной электростанции

Как это происходит поэтапно:

Солнечные панели состоят из фотоэлектрических ячеек, обычно из кремния, которые поглощают свет. 

1. Высвобождение электронов: 

Фотоны из солнечного света взаимодействуют с атомами кремния, передавая им энергию и высвобождая электроны. 

2. Создание электрического тока: 

Высвобожденные электроны начинают двигаться, создавая электрический ток. Этот процесс напоминает работу батареи, где есть положительные и отрицательные слои полупроводника. 

3. Преобразование постоянного тока: 

Полученный от панелей ток является постоянным (DC). Чтобы питать большинство домашних приборов и быть совместимым с электрической сетью, его необходимо преобразовать в переменный ток (AC). Эту функцию выполняет инвертор. 

4. Потребление и хранение: 

Переменный ток, полученный после инвертора, направляется на питание домашних приборов и систем. Избыток энергии может быть сохранен в аккумуляторных батареях для использования в пасмурную погоду или ночью. 

Дополнительные компоненты системы: 

• Контроллер: Регулирует и управляет процессом зарядки и разрядки аккумуляторов, анализируя уровень заряда.

• Аккумулятор: Накапливает излишки энергии.

• Инвертор: Преобразует постоянный ток (DC) в переменный (AC).

Выводы

1.Солнечная космическая электростанция обладает высокой эффективностью, так как получает неограниченный доступ к солнечной энергии без атмосферных потерь и работает круглосуточно, что делает ее перспективным источником возобновляемой энергии

2.Основные препятствия для реализации технологии связаны с высокой стоимостью строительства и техническими сложностями , такими как передача энергии на Землю и долговечность оборудования. Однако развитие космических технологий может сделать эту концепцию экономически выгодной в будущем.

Заключение

Солнечные космические электростанции- перспективные технологии будущего. Они могут стать основным источником , возобновляемой энергии, обеспечивая человечество чистой и неограниченной энергией. Несмотря на технические и экономические барьеры надо разрабатывать проекты в этой области, чтобы их реализация была возможной в ближайшем будущем.

Список использованной литературы и источников

[1] Тимошкин С Е Солнечная энергетика и солнечные батареи 1966г стр 163-194

[2] Слепухина И Космическая солнечная электростанция: как она работает, и для чего нужна. статья

[5] Электричество из космоса? Статья

[6]. https://naked-science.ru/article/nakedscience

[7 ].https://infolesson.kz/issledovatelskaya-rabota-na-temu-solnechnaya-energiya-i-ee-ispolzovanie-866556.html

[8] . https://school-science.ru/6/11/38609

Отзыв

на научный проект ученицы 7«Е» класса ГУ гимназии №3 для одаренных детей г. Павлодара Балашовой Екатерины по теме : «Солнечная космическая электростанция –энергетика будущего»

Данный проект разработан и представлен ученицей 6Е класса ГУ «гимназии №3 для одаренных детей» г. Павлодара Балашовой Екатериной. Катя занимается проектами с начальной школы. Участвовала в конкурсах «Зерде», занимая призовые места. Занимается в кружке «Юный астроном» Тема проекта, которую она выбрала, является актуальной, интересной и содержание в целом соответствует заданной теме. Работа посвящена изучению альтернативной энергетики, как актуальному вопросу в науке. Главная роль принадлежит энергии Солнца. По словам автора это главный источник энергии на Земле, может стать источником энергии для любого человека. Трудолюбие и ответственное отношение к выполняемой работе позволило автору спроектировать и изготовить модель космической солнечной электростанции, которая является наиболее эффективным способом добычи энергии, так как она позволяет получать солнечную энергию без атмосферных потерь, работать круглосуточно и обеспечивать стабильное энергосбережение без вреда для экологии. Если удастся решить технические и экономические проблемы, то такие станции могут стать основным источником чистой энергии в будущем. Данная работа имеет практическую ценность. Получение энергии – сложный технический процесс, но, оказывается, есть альтернативная энергетика, доступная каждому жителю планеты Земля, а солнечная энергия самая актуальная.

Научный руководитель: преподаватель физики и астрономии

Брус Т.М.

Дневник проведенной работы по научному проекту

на тему: «Солнечная космическая электростанция –энергетика будущего»

ученицы 7»Е» класса ГУ гимназии №3 для одаренных детей г.Павлодара Балашовой Екатерины

Учитель физики и астрономии Брус Т.

Приложение

Сборка модели

Дано: Решение:

U1=6в Uобщ= U1= 6B

I1=0.15A Iобщ=n*I1=14*0.15=2.1A

N=14

Определим мощность установки:

Р=Uобщ*Iобщ=6*2,1=12,6 вт

Ответ: Uобщ =6В , Iобщ=2,1 , Р=12,6ВТ