Энергетика космической эры
Общий обзор источников энергии которые будут актуальны в период космической цивилизации. И в том числе, доступных сейчас или в ближайшем будущем.
Энергетика это одна из базовых отраслей промышленности и жизнеобеспечения. Энергия лежит в основе технологической жизненной среды, определяющей уровень жизни и уровень цивилизационного развития. Вместе с переходом земной цивилизации на космический уровень, человечество должно перейти на другие источники энергии.
Традиционная тепловая энергетика.
Энергия горения ископаемого топлива, являющаяся сейчас основой энергетики земли, не может быть основой энергетики космической цивилизации. У нее есть ограничения не позволяющие увеличить объемы мировой промышленности в десятки раз, которые будут сопровождать развитие нового промышленного уклада и индустриализации солнечной системы.
Ресурсов ископаемого топлива не хватит на новый промышленный рывок, необходимый для перехода человечества в космическую эру. Увеличение его использования только в несколько раз, вызовет глобальную экологическую катастрофу.
В этом посте я перечислил основные источники энергии, подходящие для создания на земле фундамента космической индустрии. Для последующего перехода к индустриализации солнечной системы – «Индустрии космической эры».
Перспективные источники энергии, которые станут основными в период космической цивилизации.
Основной источник энергии для новой индустриализации, сопровождающей переход человечества на космический уровень, это солнце. Солнечная энергия неисчерпаема, чиста и повсеместно доступна. Как на земле, так и на ближайших планетах и астероидах солнечной системы.
Другие источники энергии, это атомные реакторы, новых поколений, работающие на обедненном уране. В некоторой перспективе, 2 – 3 десятилетия, возможно появление термоядерных реакторов на изотопах водорода «Тритии и дейтерии». Термоядерную реакцию на тяжелых изотопах водорода проще осуществить, но она дает выделение нейтронов, радиоактивное загрязнение. В более отдаленной перспективе, через 50 – 60 лет, возможно, появятся чистые термоядерные реакторы, работающие на изотопах бора и водорода.
В число источников энергии космической цивилизации, так же входят местные, широкодоступные источники энергии. Энергия горения возобновляемого топлива биологического происхождения, и энергия ветра.
Архитектура энергетики космической цивилизации в целом определена. Основную долю в ней будет занимать солнечная энергия, которая в ближайшее десятилетие заменит ископаемое горючее. Второстепенную долю, около от 10, до 30% будет занимать атомная энергетика, которая позже сменится термоядерной. Третье место 1 — 5% будет принадлежать энергии биологического топлива и ветра.
В настоящее время доля возобновляемых источников в мировой энергетике не большая, но научно промышленная база энергетики космической эры уже сформирована. И солнечная энергетика в ближайшие годы может перейти в стадию молниеносного роста. За счет появления новых технологий, многократно снижающих стоимость и сложно производства солнечных панелей.
Сейчас генераторы энергетики космической эры доступны в продаже, и люди могут переходить на энергетику космической эры в порядке личной инициативы. Становясь при этом участниками перехода мировой энергетики на стандарты космической цивилизации.
Ископаемое топливо, источник энергии для мировой индустриализации, исчерпавший свой потенциал перед переходом в космическую эру.
Основу современной энергетики составляет сжигание ископаемого органического топлива, угля, нефти и газа, в кислороде земной атмосферы. Ископаемое топливо, это остатки древних растений, которые трансформировались от времени или температуры. И превратились в природные концентраты, более калорийные и удобные для промышленного использования, чем топливо из современных растений, такое как дрова или брикеты из соломы. Уголь, это окаменевшая древесина древних лесов, нефть и газ, это жир водорослей смешанный с илом. Подвергнутый химической трансформации в глубине земли, при высоких температуре и давлении.
Энергетика, основанная на сжигании ископаемого горючего, облегчила и ускорила промышленную революцию. Ископаемый уголь, дал возможность начать массовое промышленное производство стали. Нефтяное топливо, облегчило создание глобальной транспортной инфраструктуры. Горючее, транспортируемое по трубам, нефть и газ, облегчило развитие крупного промышленного производства и централизованной энергетики.
На современном этапе развития, человечеству предстоит сделать переход на уровень космической цивилизации. Для перехода на космический уровень, нужно сделать переход на другие источники энергии. Которые сделают возможным неограниченный рост промышленности на земле, и дадут возможность развивать промышленность в солнечной системе.
Ископаемое горючее не дает возможности построить промышленность и цивилизацию космической эры. У него для этой задачи слишком много ограничений.
Ископаемое топливо исчерпаемо, и не экологично. Запасов нефти и газа хватит приблизительно на сто лет. При сохранении современных темпов потребления. На основе ископаемого углеводородного топлива, можно увеличить объемы мирового промышленного производства в три, четыре раза. Не больше. После этого топливные ресурсы быстро закончатся. Но начнутся глобальные, климатические катаклизмы, вызванные потеплением.
Запасов каменного угля намного больше. При современных темпах потребления, его хватит на 1500 – 2000 лет. При многократном росте потребления, может хватить на сотни лет. Но сжигание угля в таких масштабах, гарантированно приведет к экологической и климатической катастрофе.
Для того чтобы поднять население земли на нормальный по современным меркам уровень жизни, нужно увеличить мировое производство, как минимум в десять раз. А лучше в 30 – 50 раз. На ископаемом горючем, сделать такой промышленный рывок совершенно невозможно.
Так же невозможно использовать органическое горючее в космической промышленности. В космосе традиционное горючее не эффективно.
В качестве источника энергии для электрогенераторов, химическое горючее в космосе практически не используется. По причине очевидной не эффективности. Иногда в топливных элементах, на спутниках, используется топливная пара водород – кислород, но она используется в замкнутом цикле, для аккумулирования энергии. Генераторы на водороде и кислороде использовались в шаттлах. Но у этих машин время полета было не длительным, для них бортового запаса топлива хватало.
В качестве источника энергии для транспортных средств, химического топлива в космосе хватает только для того чтобы иногда посылать исследовательские зонды на другие планеты. В один конец, без возвращения обратно. Для полета трех человек на луну, и обратно, по программе Аполлон, надо было сжигать три тысячи тонн топлива. Для того, чтобы обеспечить полномасштабную индустриализацию солнечной системы, и снабжение земли инопланетными ресурсами, нужно свободно перемещать в космосе миллиарды тонн грузов. На химическом топливе это сделать совершенно невозможно.
Энергетика, основанная на сжигании ископаемого топлива, сыграла свою роль в переходе к индустриальному уровню развития с феодального. Она позволила заменить ручной труд на машинный. И десятикратно повысить качество жизни. Но для перехода в космическую эру, нужна новая энергетика. У ископаемого топлива слишком низкий потенциал и слишком много сдерживающих факторов. Устанавливающих потолок роста, через которые энергетика ископаемого топлива перейти не может.
Чтобы перейти на уровень космической цивилизации, человечеству нужно переходить на новые типы массовой энергетики.
Какой может быть энергетика космической цивилизации?
Из возможных источников энергии на смену сжиганию ископаемого топлива, могут придти или атомная, или термоядерная, или солнечная энергетика. В качестве горючего для земного транспорта, вероятен переход на синтетическое топливо с нефтяного. В космосе, для движения, будет использоваться энергия солнечных, атомных или термоядерных генераторов. У каждого из этих источников энергии есть свои преимущества и недостатки.
Атомная энергетика.
Атомная энергия, является высокопотенциальным источником энергии. В том смысле, что небольшое количество топлива дает возможности получать высокие энергетические мощности. Атомные электростанции не выделяют парниковых газов и не нуждаются в постоянном снабжении горючим. Атомные реакторы, могут длительное время работать на одной заправке топливом. В этом, основные преимущества атомных электростанций.
Основные недостатки в радиоактивном загрязнении. Детали использованных атомных ректоров являются долгосрочным источником радиации. Их нужно хоронить после выработки ресурса. В случае аварии атомных реакторов, они могут служить причиной локальных экологических катастроф, таких как катастрофы в Чернобыле, или на Фукусиме.
В будущем, атомная энергетика определенно получит массовое распространение. Но она не станет основой мировой энергетики, будет оставаться второстепенной, так же как и сейчас.
Атомные ректоры будущего, будут потреблять изотоп урана – 238. Так называемый «Обедненный уран», самый доступный и дешевый вид урана, ресурсов которого на земле хватит на тысячи лет. Реакторы будут строиться под землей, на большой глубине. И после выработки ресурса, или в случае аварии, будут заливаться жидким бетоном, расплавленной солью, или расплавленным стеклом. После чего будут превращаться в безопасные, радиоактивные могильники.
Атомные реакторы, так же будут использоваться в космосе. Как генераторы энергии для мощных орбитальных буксиров. Транспортных кораблей, способных перемещать тяжелые грузы, с низкими затратами топлива. Или в составе электростанций на инопланетных базах, особенно на большом удалении от солнца.
Термоядерная энергетика.
Термоядерные реакторы в настоящее время перспективная технология, в качестве источника энергии. Эти устройства очень сложные, и пока технологический прогресс не достиг такого уровня развития, чтобы использовать термоядерные реакторы в качестве источников энергии промышленной мощности. Сейчас, есть только экспериментальные, термоядерные реакторы.
В ближайшие десятилетия, возможно технологии смогут получить достаточное развитие для создания коммерческих термоядерных реакторов. С термоядерным синтезом, связаны надежды на чистую атомную энергетику. Использование термоядерной реакции синтеза, не дающей радиоактивного загрязнения, излучения нейтронов. Но на практике, создание чистых термоядерных реакторов не простая задача.
Сейчас освоены технологии экспериментальных термоядерных реакторов, работающих на смеси тяжелых изотопов водорода «Дейтерия» и «Трития». Эта реакция идет при относительно низкой температуре, 100 миллионов градусов, но с выделением нейтронов.
Перспективные термоядерные реакторы на изотопах водорода, такие же грязные как современные атомные реакторы. Только намного сложнее и намного дороже. В массовой энергетике польза от них сомнительная. Но в космосе, они могут быть очень полезны, так как позволяют создать относительно легкие и компактные двигатели с низким расходом топлива и высокой мощностью.
Чистые реакции термоядерного синтеза, идут при температурах от одного миллиарда градусов и выше. В десять раз выше, чем при реакции горения тяжелых изотопов водорода. Соответственно, создать чистый термоядерный реактор на порядок сложнее, чем грязный реактор на изотопах водорода.
Некоторые реакции термоядерного синтеза, не дают побочных радиоактивных частиц. Топливом для таких реакций служит или смесь изотопов водорода с гелием 3, или смесь изотопов водорода и бора. Но температура чистых термоядерных реакций в десять раз выше горения изотопов тяжелого водорода. Соответственно, создание реакторов на чистом топливе, задача на порядок более сложная, чем создание реакторов на изотопах водорода.
Сейчас ведутся исследования по созданию опытных, промышленных, термоядерных реакторов. Самый крупный из которых проект «ITER».
Проектный центр ИТЭР в России: https://www.iterrf.ru/
ИТЭР Википедия: https://ru.wikipedia.org/…/%D0%9C%D0%B5%D0%B6%D0%B4%D1%83%D…
Официальный сайт ИТЭР: https://www.iter.org/
Возможно в ближайшие десять, пятнадцать лет, появятся коммерческие термоядерные реакторы. Но революции в энергетике они не произведут. Эти машины слишком сложные и дорогие. А потому не станут массовыми в ближайшие несколько десятилетий.
Возможно, через 20 – 40, лет, появятся промышленные реакторы на чистом топливе, не выделяющем нейтронов в процессе реакции. Но такие реакторы будут очень крупными, сложными и дорогими. Это будут мега проекты в сфере энергетики. Они смогут войти в состав мировой энергетики. Как мощные, чистые, и неисчерпаемые источники энергии. Но главный недостаток любых гигантских проектов, медленный рост, вряд ли позволит термоядерным реакторам занять значимую долю в мировой энергетики в не далеком будущем. Если термоядерные реакторы станут одними из основных источников энергии, то это произойдет в отдаленном будущем, через 50 лет и позже.
Термоядерные реакторы в качестве космических двигателей.
Термоядерные реакторы, обладают всеми нужными характеристиками, чтобы стать двигателями транспортных орбитальных кораблей будущего. В процессе термоядерных реакций, выделяется много энергии. По удельной энергетике, термоядерное топливо самое эффективное из известных видов топлив. Не считая анти материи, но это топливо слишком сложное для обозримого будущего.
Термоядерное топливо, примерно в 4 раза эффективнее атомного, в пересчете на вес. В космосе продукты термоядерных реакций, можно выбрасывать в виде реактивной струи. Получая при этом реактивную тягу, практически неограниченной мощности, с очень низким расходом топлива.
Корабли на термоядерных двигателях смогут свободно летать в пределах солнечной системы. При этом развивая высокую скорость, перевозя грузы весом в тысячи или миллионы тонн.
Современные корабли на химических или ионных двигателях, позволяют посылать на разные планеты и астероиды солнечной системы, единичные исследовательские зонды. Вес которых обычно в пределах нескольких сотен килограмм.
Тяжелые корабли с термоядерными двигателями смогут перевозить грузы сравнимые по массе с современными грузовыми морскими кораблями, и во много раз больше. При желании можно будет увеличивать скорость полета, в 2 – 10 раз, при сниженной полезной нагрузке. Дальность их полета в пределах солнечной системы будет практически не ограниченной. Смогут делать несколько перелетов из одного конца солнечной системы в другой, на одной заправке топливом.
Термоядерные двигатели, позволят свободно перемещать в солнечной системе промышленное оборудование, мобильные предприятия и ресурсы. Открывая широкие возможности для ее промышленного освоения.
Возможно, космические термоядерные двигатели появятся в ближайшие 20 – 30 лет. Но маловероятно, что они станут распространенными в ближайшие десятилетия. Если будут созданы несколько термоядерных буксиров, они будут единичными. Основу орбитального транспортного флота ближайших десятилетий будут составлять буксиры с электрореактивными двигателями на тонкопленочных солнечных батареях или атомных генераторах.
Термоядерные реакторы, одно из перспективных направлений развития энергетики и космического транспорта будущего. Но проекты термоядерных реакторов, слишком сложные, дорогие и долгосрочные. Для ближайших нескольких десятилетий они тяжелые в реализации. А потому у термоядерных реакторов нет шансов в перспективе 20 – 40 лет, стать массовыми. Стать оной из основ промышленной энергетики и космических транспортных систем.
Вероятно, термоядерные реакторы, получат широкое распространение в более отдаленные периоды, через 50 лет и позже. Когда уже будет идти массовое промышленное освоение солнечной системы. Но в период перехода на космический уровень, основой энергетики и транспорта, будут более простые и доступные, солнечные, и атомные источники энергии.
Солнечная энергетика.
Солнечная энергия, это энергия звезды находящейся в центре солнечной системы, и распространяющаяся в виде светового излучения.
Преимущества солнечной энергии, в ее повсеместной доступности в условиях земли и космоса. В ее неограниченных ресурсах и экологической чистоте. Солнце естественный термоядерный реактор. Мощность излучаемой им энергии практически неограниченна. Солнечная энергия чистая с экологической точки зрения.
Основные недостатки солнечной энергии это ее рассеянность. И в условиях земли, зависимость солнечного излучения от условий климата, погоды, и времени суток. Средняя мощность солнечного излучения, около 100 ватт на квадратный метр. Это не плохо для естественного, источника. Но все-таки мало для промышленной энергетики. В промышленности нужно получать энергетические потоки, от нескольких тысяч, до нескольких миллиардов ватт. Поэтому для индустрии удобны, мощные, высокопотенциальные, источники энергии.
Но рассеянность солнечной энергии можно компенсировать за счет ее концентрации. При помощи, зеркал, которые могут быт дешевыми и легкими. Например, из пластиковой пленки. Или производимые на месте из подножных материалов, например, из волокнистой керамики. Свет это излучение, и его можно концентрировать зеркалами в потоки, обладающие высокой энергетической мощностью. Мощность сконцентрированного излучения зависит от площади зеркал и качества концентрации. В местах, где много свободного пространства, таких как пустыни или открытый космос, можно строить солнечные электростанции промышленной мощности. От сотен мегаватт до нескольких гигаватт.
Основные способы преобразования солнечной энергии в электрическую, это фото элементы, и тепловые генераторы, работающие от сконцентрированного света.
Фотоэлементы, преобразователи энергии света в электричество.
Фотоэлементы представляют собой два слоя полупроводника, с разным типом проводимости. При облучении светом, в полупроводнике «N – типа» (negative), образуется избыток электронов, в другом «P – типе» (positive), недостаток. И электроны перетекают по проводам из одного слоя полупроводника в другой, образуя при этом электрическую цепь.
Переход между слоями полупроводника с разными типами проводимости, называется «P – N», переходом.
Основные типы фотоэлементов. Это:
Кремниевые.
Делаются из пластинок кремния. И подразделяются на несколько типов.
Кремниевые на монокристаллах. Самые дорогие, но имеют высокий КПД, 15 — 20%. И самые долговечные, в среднем, служат 25 лет. Недостатки монокристаллических солнечных батарей, в том, что они хорошо работают только при точной ориентации на солнце. Для чего нужны подвижные рамы, автоматически поворачивающиеся к солнцу. А так же снижают КПД при нагревании выше 25 градусов Цельсия, на 0,4 – 0,5% с каждым дополнительным градусом. Обычно, они используются в солнечных электростанциях.
Кремниевые, на поликристаллическим кремнии. Стоят дешевле, но их КПД немного ниже 12 — 15%. Срок эксплуатации без потери качества, 15 – 20 лет. Поликристаллические фотоэлементы не требуют точной ориентации на солнце, но так же снижают эффективность при повышенной температуре. Обычно используются в индивидуальных генераторах. Для снабжения энергией жилых домов, теплиц, и тому подобное.
Фотоэлементы на аморфном кремнии. Самые дешевые, но у них низкий КПД, 6 – 8%. И они не долговечны, служат несколько лет. Последние модификации солнечных батарей на аморфном кремнии, более долговечные, могут работать больше 10 лет. Батареи этого типа, хорошо работают при рассеянном свете и не снижают эффективности при высокой температуре. Обычно используются во вспомогательных генераторах малой мощности, таких как мобильные устройства для подзарядки ноутбуков или телефонов.
Фотоэлементы не содержащие кремния:
Фотоэлементы на теллуриде кадмия. Имеют КПД 10 – 12%, по цене сравнимы с кремниевыми солнечными панелями. Основной недостаток в токсичности входящего в их состав металла кадмия.
Пленочные фотоэлементы на редкоземельных металлах. Как правило, в основу этих фотоэлементов входят, селенид индия — меди-галлия (CIGS) или селенид индия-меди (CIS).
КПД элементов на редкоземельных металлах составляет в среднем 15 – 18%. У некоторых модификаций доходит до 30%. Фотоэлементы на редкоземельных металлах состоят из тонкой пленки, толщиной около 1 микромера, микроны. Их основные преимущества сочетание малого веса и высокой эффективности. Основной недостаток, высокая цена, которая в несколько раз превышает наиболее распространенные кремниевые элементы. Фотоэлементы на редкоземельных металлах, используются там, где нужна легкость и цена не имеет критического значения. В космосе, на электрическом транспорте, в переносных солнечных генераторах различных видов.
Одно из преимуществ фотоэлементов на редкоземельных металлах, способность стабильно работать при высоких температурах 130 – 150 градусов Цельсия, без потери эффективности. Позволяют использовать их в комплексе с солнечными концентраторами. В которых зеркала концентрируют свет на фотоэлементах. Многократно увеличивая приток к ним солнечной энергии. Комплексы концентраторов и фотоэлементов выгодны тем, что концентраторы многократно увеличивают эффективность солнечных панелей. Но сами при этом, стоят дешево.
Органические фотоэлементы.
Делаются на основе проводящих ток органических веществ. Таких как, фуллерены, полифенилен, или фталоцианин меди. Основные преимущества органических фотоэлементов, это простота и низкая цена производства. Основной недостаток низкий КПД, около 5 – 7%. В последние годы, идет активный прогресс в развитии органических фотоэлементов, и на рынке начали появляться элементы с достаточной эффективностью 10 – 14% . Так, пленочные батареи немецкой фирмы Heliatek имеют КПД, до — 13%. Официальный сайт: https://www.heliatek.com/en/
Статья. Новый рекорд эффективности органических солнечных панелей — 13,2%: https://rodovid.me/solar_power/heliatek.html
Статья. Виды солнечных батарей: https://www.solnpanels.com/vidy-solnechnyh-batarej/
Википедия. Солнечная батарея: https://ru.wikipedia.org/…/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D…
Солнечные батареи с несколькими P – N переходами.
Недорогие фотоэлементы, распространенные на массовом рынке, имеют как правило один p – n переход. Но есть разновидности фотоэлементов с несколькими p – n переходами. Так называемые – «Многоэлементные фотоэлементы». Имеющие высокую эффективность, но и высокую цену.
Фотоэлементы с несколькими p – n переходами, рассчитаны на последовательное поглощение нескольких спектров солнечного света, оптимальных для работы каждого отдельного перехода. Как правило, такие фотоэлементы, имеют три p – n перехода, работающих в красном, зеленом, и синем спектре.
КПД многоэлементных фотоэлементов, доходит до 30 – 45%. По эффективности преобразования энергии, они сравнимы с двигателями внутреннего сгорания, или турбинными тепловыми генераторами. Но из-за высокой цены, многоэлементные фотоэлементы не имеют широкого распространения. Они используются в основном в космосе, или в качестве генераторов, совместно с зеркальными солнечными концентраторами. В составе комплексов, концентатор – солнечная панель.
Статья. Установлен рекордный КПД для солнечных модулей — 41,4%: https://hightech.plus/…/ustanovlen-rekordnii-kpd-dlya-solne…
Солнечные батареи с призмами.
Другая разновидность солнечных батарей повышенной эффективности, это солнечные батареи, в состав которых входят призмы, разлагающие солнечный свет на несколько спектров. И несколько разных разновидностей фотоэлементов, расположенных полосами, и поглощающих оптимальные для своей генерации спектры света.
Фотоэлементы с призмами имеют высокий КПД. Но они слишком дороги для массового использования. Из-за призм, у них высокий вес. И они требуют точной ориентации на солнце. Возможно, в будущем, солнечные батареи с призмами станут дешевле и доступнее. Но сейчас они слишком дороги и не удобны для массового использования.
Статья. Фотоэлемент с призмой побил мировой рекрд для солнечных батарей: https://habr.com/post/394147/
Линзовые солнечные панели.
В составе солнечных панелей, так же иногда используются линзы. Дешевые пластиковые линзы работают как концентраторы. Концентрируя солнечный свет на небольших фотоэлементах. И за счет этого удается в десятки раз снизить площадь фотоэлементов. Линзовые солнечные батареи, требуют точной ориентации на солнце.
Когда на рынке не было дешевых фотоэлементов, линзовые солнечные батареи считались альтернативным способом снизить стоимость солнечной энергии. Сейчас они не имеют массового распространения.
Линзовые солнечные панели, плоские и сферические: https://rodovid.me/solar_po…/linzovye-solnechnye-paneli.html
Перовскитные фотоэлементы.
Фотоэлементы на основе типа полупроводников «Перовскита», способного служить дешевой заменой кремния, считаются перспективной разновидностью массовых фотоэлементов будущего.
Фотоэлементы на перовските значительно проще в производстве и дешевле кремниевых. Их основным недостатком считается низкий КПД. Но в последние годы, ученым удалось повысить их КПД до приемлемых значений, и некоторые фирмы, ведут подготовку к началу их серийного производства.
Фотоэлементы на перовските в 5 – 7 раз дешевле традиционных, кремниевых. Если они выйдут на массовый рынок. Их появление сделает революцию в солнечной энергетике. Солнечная энергетика станет ощутимо дешевле других источников энергии, станет массовой и широко распространенной. Станет одной из основ мировой энергетики.
Статьи о перовскитных фотоэлементах
1: Перовскитные солнечные элементы: http://www.laser-portal.ru/content_1129
2: Российские ученые создали перовскитные солнечные панели с рекордным КПД: https://hightech.plus/…/rossiiskie-uchenie-povisili-kpd-per…
3: КПД перовскитных солнечных модулей удалось повысить до 66%: https://hightech.fm/2018/01/17/hybrid_perovskite
Общие свойства фотоэлементов, в качестве преобразователей солнечного излучения в электрическую энергию, это:
Удобство в эксплуатации. Солнечные панели, технически простые устройства. В них нет движущихся частей, бывают только вспомогательные моторчики, поворачивающие панели по направлению к солнцу. А потому солнечные панели могут годами работать, почти не нуждаясь в ремонте и обслуживании.
У современных солнечных батарей не высокая эффективность и высокая цена. Солнечные электростанции, и индивидуальные энергетические установки окупают себя, в среднем за 5 – 12 лет. Экономически они малоэффективны. В настоящее время, фотоэлементы уже не являются вспомогательным источником энергии. Их часто используют в солнечных электростанциях. Или в качестве независимых, автономных источников энергии индивидуального использования. Но они еще не стали по настоящему массовыми. В то же время, солнечные батареи постоянно дешевеют. В области фото генерации появляются новые технологии. Если цены на фотоэлементы снизятся в 2 – 3 раза, фотоэлектрические генераторы, станут реальными конкурентами электростанций на ископаемом топливе. Начнется широкое распространение фотоэлектрических генераторов, и они станут одним из основных источников энергии в мировой энергетике.
Тепловые генераторы, работающие от солнечных концентраторов, зеркал концентрирующих свет.
Солнечное излучение можно превратить в электрический ток, не только при помощи прямой генерации электрического тока в фотоэлементах. Но и через тепловые машины, источником тепла для которых служит сконцентрированный зеркалами солнечный свет.
Механические генераторы, работающие от солнечного тепла, близкие аналоги традиционных тепловых машин, таких как паровые двигатели или турбинные генераторы электростанций.
Только они работают не от химического тепла, сгорания топлива, а от тепла солнечного света.
Тепловые солнечные генераторы, могут быть гибридными. Работать как от солнца, так и от сгорания топлива. В этом одно из их преимуществ. Так как солнечная энергия не постоянная. Она зависит от времени суток и погодных условий. Гибридные источники тепла, могут работать стабильно и постоянно. Когда есть солнце, работать от концентраторов, когда прямых солнечных лучей нет, работать от горючего. Горючим может служить как традиционное топливо, уголь, газ, нефть, так и недорогое возобновляемое топливо, такое как гранулы из растительной клетчатки, или дрова.
Машины для преобразования тепловой энергии в электрическую, бывают двух основных типов. Поршневые двигатели и турбины.
Турбинные генераторы. Широко применяются в тепловых электростанциях, или силовых установках крупных кораблей. Они удобны для мощных, промышленных генераторов.
Поршневые, паровые двигатели. Раньше были распространены в паровозах. Сейчас применяются в паровых двигателях с замкнутым циклом рабочего тела, двигателях «Стирлинга». Генераторы Стирлинга, это многотопливные тепловые генераторы, способные потреблять практически любой вид горючего. Но так же они могут работать и от сконцентрированного солнечного света.
Комплексы из солнечных концентраторов и генераторов Стирлинга, удобны для маломощных электростанций или генераторов индивидуального использования. Гибридные генераторы на солнечном свете и органическом топливе, могут быть удобными в сельской местности. Так там достаточно свободного пространства для солнечных концентраторов, и есть много отходов фермерского хозяйства, таких как солома или шелуха, из которых можно делать дешевое твердое топливо. В виде гранул или брикетов. Такие гибридные генераторы, могут работать полностью на возобновляемых источниках энергии, солнце и растительной биомассе. Но при необходимости, могут переходить на ископаемое топливо.
Статьи о концентраторных электростанциях и генераторах:
1: В Марокко запустили крупнейший в мире концентратор солнечной энергии: https://habr.com/post/390089/
2: В США была запущена крупнейшая солнечная электростанция башенного типа: https://3dnews.ru/804144
3: Солнечные стирлинги дают бой альтернативной энергетике: http://www.membrana.ru/particle/2860
Экономическая эффективность солнечной энергетики.
Средняя стоимость солнечной энергии, в настоящее время, в среднем, находится в диапазоне от 1 до 5 долларов за ватт генерируемой мощности. Соответственно 1 – 5 тысяч долларов за киловатт. 1 – 5 миллион за мегаватт. Или 1- 5 миллиардов долларов за гигаватт. Такая стоимость генерации сравнима с традиционными электростанциями, на ископаемом топливе, или атомной энергии. Солнечные электростанции рентабельные, но имеют длительные сроки окупаемости, 5 – 12 лет. Они способны конкурировать с традиционными источниками энергии, но не являются сверхприбыльными, не могут создать ажиотажный спрос и быстро занять рыночную нишу традиционной энергетики.
Автономные солнечные генераторы, включают не только сами генераторы, но и устройства для аккумуляции энергии. Аккумуляторы электрического тока, или тепловые аккумуляторы, для промышленных, концентраторных, электростанций. Электрические аккумуляторы, увеличивают стоимость малых, автономных, генерирующих систем. Поэтому солнечные панели, выгодно использовать в качестве вспомогательного источника энергии. Или в комплексе с другими, автономными генераторами. Например, иметь в доме комплекс из солнечных генераторов, ветряных генераторов и тепловых генераторов, Стирлинга, или двигателя внутреннего сгорания.
Сейчас в области солнечных генераторов различных типов, идет активный прогресс. Солнечные генераторы быстро развиваются и дешевеют. Сейчас, стоимость генерации недорогими фотоэлементами около 70 – 90 центов за ватт. Если цена генерации солнечными генераторами снизится до 50 – 30 центов за ватт, и ниже. Солнечные генераторы начнут активно вытеснять другие источники энергии, переходя из разряда вспомогательных, в разряд основных.
В настоящее время, устанавливать полностью автономные, солнечные энергетические системы в индивидуальных домах, дорого. Но вспомогательные солнечные генераторы, небольшой мощности, иметь не дорого и удобно. Солнечные генераторы, при современных ценах, выгодны для оснащения мобильных домов, на колесной или плавучей базе. Небольшие переносные солнечные панели, достаточно дешевы для рядовых потребителей. И удобны в качестве источников энергии для электронных приборов, смартфонов или ноутбуков. Или легкого электротранспорта, такого как электрические самокаты, легкие электрокары, или электрические лодки.
Возобновляемое биологическое топливо.
Биотопливо, так же является источником энергии космической эры. В отличие от солнечной энергии его ресурсы ограничены. Так как биотопливо это продукт накопления солнечной энергии растительными организмами. А объемы растительной биомассы на земле ограничены. И их промышленное использование так же должно ограничиваться, чтобы не наносить ущерб экосистеме.
Принципы организации промышленной деятельности космической эры, предполагают не только развитие высоких технологий в разных сферах. Но и максимальное использование доступных, местных ресурсов, в разных сферах. В сфере энергетики, таким легко доступным, местным, ресурсом для земли, является топливо биологического происхождения.
Биологическое топливо, это в основном углеводы растительного происхождения, такие как «Целлюлоза», из которой состоят скелеты растений. Крахмала, или сахара, который растения накапливают в качестве запаса питательных веществ. Или продукты химической переработки этих углеводов. Так же возможно использование в качестве топлива растительных жиров.
Основные разновидности биотоплива это:
Твердое биотопливо.
Самая простая и древняя разновидность которого, это дрова, или брикеты соломы, которые служили горючим с глубокой древности. Сейчас твердое биотопливо в основном используют в виде гранул, состоящих из измельченной, сухой растительной клетчатки.
Топливные гранулы «Пеллеты», делают в основном из отходов переработки древесины, и отходов сельского хозяйства, таких как солома, шелуха, или лузга. Гранулированное твердое биотопливо отличается повышенной калорийностью и удобством для автоматических систем подачи. Пеллеты сыпучие, их удобно перевозить, или подавать из бункеров в печи в автоматическом режиме. Гранилированное, твердое биотопливо, самое дешевое и массовое. Его основной недостаток, в том, что его нельзя использовать в качестве горючего для транспорта.
Но твердое топливо можно переводить в газообразную форму, при помощи устройств «Газогенераторов». Принцип работы которых, в сжигании твердого топлива с недостатком воздуха. В результате чего, образуется смесь азота, угарного газа и водорода, достаточно калорийная для питания моторов. И на топливных гранулах, могут работать перспективные машины с паровыми двигателями.
Этиловый спирт.
Производимый из растительных продуктов с высоким содержанием сахара или кархмала. В основном, отходов переработки сахарного тростника или зерна. Используется в качестве моторного топлива в развивающихся странах с теплым климатом, и хорошо развитой аграрной индустрией. В основном в латинской Америке.
Биодизель.
Растительное масло, из некоторых высокопродуктивных масличных культур, таких как Рапс, используется для производства «Биодизеля». Биодизель, в основном производится и используется в Европе.
Недостатки современных разновидностей моторного биотоплива, в том, что на их производство идут продукты, которые можно использовать для питания людей. Спирт который производится из не съедобных отходов, так же широко используется в медицине и промышленности. И сжигать его довольно расточительно, с точки зрения экономии мировых, пищевых, ресурсов.
Синтетическое жидкое горючее. Производимое из дешевой растительной клетчатки, могло бы стать хорошей альтернативой спирту и биодизелю из съедобного растительного масла. Но современные технологии производства синтетического бензина из растительной биомассы слишком дорогие и не имеют массового распространения. Сейчас, разрабатываются перспективные технологии, прямой перегонки растительной клетчатки в моторное топливо, при нагревании с катализаторами. Или прямое преобразование клетчатки в вещества подобные бензину при помощи генетически модифицированных микроорганизмов. Но эти технологии еще не вышли на массовый рынок.
Жир водорослей.
Выращивание водорослей с высоким содержанием жира, считается одним из альтернативных методов производства биологического горючего. Водоросли быстро растут и удобны для промышленной культивации. Жир водорослей это высококалорийное и универсальное топливо, по своим свойствам похожее на нефть. Жир можно использовать как топливо для дизеля, авиационных турбин, топок судов, электростанций или котельных. Или перерабатывать в бензин, аналогично переработке нефти.
Основные преимущества биологического топлива, в том, что оно дешево, возобновляемо, экологично и широко распространено. Основные недостатки в ограниченности его ресурсов. Мировых ресурсов биотоплива слишком мало чтобы оно могло стать основой топливно энергетической индустрии будущего. Это направление может быть только вспомогательным.
Ветряные генераторы.
Генерация электричества за счет энергии ветра, является одним из бестопливных, чистых, источников энергии. Из возобновляемых, легкодоступных, источников энергии, ветряная энергия самая малоэффективная и сильно зависящая от погодных условий. Ветряные генераторы выгодны только в регионах с постоянными ветрами. В регионах, где нет постоянных сильных ветров, ветро генераторы не рентабельны.
Средний срок окупаемости ветряных генераторов составляет от 2, до 10 лет. С экономической точки зрения наиболее рентабельные небольшие, маломощные, «Домашние», ветряные генераторы. Так как они имеют низкую стоимость, не требуют установки фундамента, и дорогого обслуживания. Соответственно у них малый срок окупаемости, около 2 – 5 лет. Для энергообеспечения дома, всегда лучше купить несколько маломощных ветряных генераторов, мощностью около 1000 ватт, чем один мощный, на 5 – 10 тысяч ватт.
Ветро генераторы в среднем уступают по эффективности солнечным или биотопливным источникам энергии. Но их эффективность зависит от конкретных условий. Так в северных регионах, на открытой местности, где мало солнца, но много ветра, солнечные генераторы, могут быть эффективны. И могут играть роль основных, бестопливных источников энергии. Но в большинстве случаев, ветрогенераторы хороши как резервные источники энергии. И могут работать в комплексных системах независимого энергоснабжения, вместе с солнечными и тепловыми генераторами.
В перспективе, новый промышленный уклад, может снизить стоимость ветряных генераторов и повысить их рентабельность. За счет производства самых тяжелых деталей, стоек и роторов на мобильных микро предприятиях. Из местных ресурсов, песка или каменистого грунта. Ветро генераторы, состоящие из волокнистой керамики и минеральной ткани, производимые рядом с местом установки, будут стоить дешевле.
Энергетика космической эры, и ее вероятная эволюция, от настоящего времени до цивилизации космического уровня.
В энергетике космической эры, основную долю будет занимать солнечная энергия. Атомные ректоры новых поколений, топливом для которых будет обедненный уран, будут занимать второстепенную позицию. Примерно такую же, как какую атомная энергетика занимает сейчас, по отношению к ископаемому топливу. Сейчас атомная энергетика занимает 10% в мировой энергетике, в будущем, возможно, ее доля вырастет до 30%. Возобновляемое биологическое топливо, так же будет занимать вспомогательную позицию. Но индустрия биотоплива будет активно развиваться. Термоядерная энергетика, слишком сложная и дорогая. Она не сможет активно развиваться в ближайшие десятилетия. Возможно через 50 лет, появятся чистые реакторы синтеза не выделяющие нейтронов. И тогда чистые термоядерные реакторы смогут стать одной из основ мировой энергосистемы и космических транспортных систем.
Основной источник энергии способный в близкой перспективе заменить ископаемое топливо, обеспечить энергетические ресурсы для нового промышленного рывка и перехода человечества на космический уровень, это солнечная энергия. Она исходит от бесплатного чистого источника, ее ресурсы неисчерпаемы. В отличие от атомной энергии, солнечные генераторы, бывают не только промышленными, но так же малыми и мобильными, удобными для децентрализованной индустрии нового уклада.
Для приблизительных оценок ресурсов солнечной энергии для земли, можно привести пример. Для полного обеспечения земной энергетики, при современном уровне технологий, нужна солнечная электростанция занимающая площадь Франции. В пустынных регионах, таких как пустыни северной и центральной Африки, Азии и северной Америки, свободно помещаются десятки участков, имеющих площадь Франции. Логично предположить, что при снижении цены на солнечную энергию, пустынные регионы в экваториальных и субэкваториальных широтах, будут застроены солнечными электростанциями. И превратятся в глобальные кластеры энергетики и промышленности. Способные обеспечить рост энергетики и производства в десятки раз выше современного. Это не считая малых, и индивидуальных солнечных генераторов, равномерно распространенных по всей планете. И солнечных генераторов водного и воздушного (Дирижабли), базирования. Суммарное поступление солнечной энергии на землю в 4 тысячи раз превышает потребности современной энергетики. Ресурсов солнечной энергии для нового промышленного рывка, который будет сопровождать переход человечества на новый промышленный уклад, на земле достаточно.
С началом массовой индустриализации космоса, солнечная энергетика будет переходить в космическое пространство. Где ее ресурсы по земным меркам совершенно неисчерпаемы. И позволяют обеспечить энергией индустриализацию близких к солнцу участков солнечной системы, от Меркурия, до основного пояса астероидов.
Строительство орбитальных солнечных электростанций начнется одновременно со строительством других элементов космической транспортно индустриальной инфраструктуры. В космосе, солнечный свет, можно собирать в мощные потоки, при помощи концентраторов, состоящих из тонкой зеркальной пленки, микронной толщины. Такая пленка дешевая и легкая. В условиях космоса, отсутствия тяжести и ветра, можно строить гигантские площади из сверхтонких зеркальных концентраторов, имеющих высокую производительность при малой массе. Сконцентрированный солнечный свет, можно преобразовывать в электричество при помощи тепловых генераторов, или специальных фотоэлементов, имеющих высокий КПД и рассчитанных на работу при высокой температуре.
Выработанную на орбитальных станциях энергию, можно транспортировать на землю в виде микроволновых лучей. Поставляя ее в нужные регионы без длинных линий электропередачи, нефтеналивных танкеров, или труб для транспортировки нефти и газа, тысячекилометровой длинны.
Децентрализованная, массовая солнечная энергетика, состоящая из малых генераторов, будет развиваться одновременно с промышленными солнечными электростанциями. Технологический прогресс, будет приводить к постоянному совершенствованию солнечных батарей, и других индивидуальных солнечных генераторов. Будет уменьшаться их стоимость, расти их КПД. На рынке будут распространяться тонкопленочные солнечные батареи, удобные в глобальной торговле, так как их можно продавать почтовыми посылками.
Современная индустрия индивидуальных солнечных батарей и солнечных электростанций малой мощности, это прямой предшественник децентрализованной солнечной энергетики космической эры. Сейчас децентрализованная солнечная энергетика занимает малую долю в энергетике, земли доли процента. Но, тем не менее, это уже сложившаяся массовая индустрия.
Современные индивидуальные системы энергоснабжения, мощностью от нескольких киловатт, до десятков киловатт, на солнечных генераторах. Способные обеспечивать энергией дома. По экономической выгоде, сейчас находятся на одной ступени с централизованным энергоснабжением. Они выгодны, но имеют слишком длительный срок окупаемости, 5 – 7 лет. Сейчас солнечные батареи проходят ценовой барьер, который сделает их из экзотического способа энергоснабжения массовым.
Стоимость солнечных батарей постоянно снижается, с 2006 по 2016, за десять лет, она снизилась с 3,50 $ до 0,7$ за ватт генерируемой мощности. И за 2017 год снизилась до 0,49$ за ватт. Сейчас на середину 2018 года приближается к 0,42$ за ватт. После снижения цены в 2 – 3 раза, индивидуальные солнечные генераторы, станут выгоднее централизованного энергоснабжения, и начнется их активное, повсеместное распространение.
В будущем, развитие нового промышленного уклада. Легких, мобильных производственных микро предприятий, так же будет стимулировать развитие индивидуальных солнечных энергетических систем. Так как автономный источник энергии позволит микро предприятиям работать независимо от электрических сетей. Сделает их более независимыми в работе. Современный аналог микро предприятия будущего, это 3Д принтер, работающий от переносных солнечных панелей. Или микро цех, размещенный в трейлере работающий от солнечных панелей на крыше и стенах.
Легкие и переносные солнечные генераторы, служащие вспомогательными источниками энергии, для подзарядки электронных приборов, таких как ноутбуки или сотовые телефоны.
Или индивидуального электрического транспорта, такого как электро самокаты, велосипеды, или мини картинги. Сейчас выгодны, и удобны для индивидуальных потребителей. Их цена не высока, но они добавляют свободы и удобства в жизни, позволяя пользоваться электронными приборами и легким электротранспортом независимо от централизованных электрических сетей.
В этом посте я перечислил основные типы энергетики космической эры.
Малозначимые с точки зрения энергетики космической эры, альтернативные источники энергии, такие как гидроэлектростанции современного типа, приливные электростанции или геотермальную энергию упоминать не стал. Так как у них нет потенциала, чтобы стать основой глобальной энергосистемы космической цивилизации. Они слишком локальные. Привязанные к определенной местности и у них слишком ограниченные ресурсы.
Перечисленные в посте источники энергии, с высокой вероятностью будут составлять глобальную энергосистему космической цивилизации.
Доминирующее место в энергетике космической эры занимает солнечная энергетика. Солнце неисчерпаемый источник энергии, как для индустрии земли, так и для будущей индустрии солнечной системы.
Современная солнечная энергетика, в том числе и индивидуальные генераторы, это прямой предшественник энергетической индустрии космической эры. Работающий на основе тех же принципов и технологий, на которых будет работать глобальная энергетика космической цивилизации. Это фундамент, на котором будет развиваться солнечная энергетика космической цивилизации.
Перечисленные в посте источники энергии, являются предшественниками глобальной энергосистемы космической цивилизации. Используя их для себя, люди могут становиться участниками индустрии космической эры в энергетической сфере. Получать для себя блага и преимущества, которые дает независимое энергообеспечение. И своим участием вносить вклад в переформатирование современной, земной, энергетики на стандарты энергетики космической цивилизации.
Николай Агапов.
Обсудить в форуме: http://cosmosclub.profiforum.ru/t30-topic#66
