АЭРОСТАТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2013 года по МПК B64G1/42 B64B1/50 

Изобретение относится к системам энергоснабжения, а именно наземных потребителей из космоса.

Известны космические солнечные электростанции для обеспечения электроэнергией наземных потребителей, включающие в себя солнечную энергетическую установку и систему дистанционной передачи на Землю энергии в виде микроволнового или лазерного излучения (заявка на изобретение RU №94032672/11 от 08.09.1994, B64G 9/00; патент на изобретение RU №2094334 от 18.04.1994, B64G 1/44, К.Гетланд, «Космическая техника», М., изд. Мир, 1986 г., стр.228-237). Недостатками данных электростанций являются:

1. Большеразмерная конструкция, которую невозможно переправить на орбиту целиком за один раз, требующая большого количества пуска ракетоносителей и сложной дорогостоящей сборки в космосе;

2. Многоступенчатая система преобразования солнечной энергии с аппаратурой с большими массогабаритными параметрами и сложной и тяжелой кабельной сетью, повышающая риск выхода из строя отдельных узлов и, в крайнем случае, оборудования в целом;

3. При использовании лазерного луча в качестве способа передачи энергии отсутствие пункта приема энергии выше облачной зоны будет приводить к потере части излучения в тропосфере и, следовательно, понижению КПД процесса.

4. При использовании СВЧ луча в качестве способа передачи энергии, обладающего значительной расходимостью, площадь его на Земле достигнет больших размеров, что требует создания таких же размеров приемной ректенны, что приводит как к удорожанию электростанции, так и к понижению эффективности работы приемных элементов ректенны, что приводит к понижению КПД электростанции, увеличению площади, занимаемой наземным пунктом приема энергии, а также к ухудшению экологической безопасности зоны облучения в месте расположения ректены;

Известны также солнечные электростанции, размещенные на привязных летательных аппаратах легче воздуха, на поверхности которых нанесены гибкие солнечные элементы, а сами аппараты расположены выше облачного слоя (патенты на изобретения: RU №2377440 от 18.06.2008, F03G 6/00; RU №2389900 от 16.03.2009, F03G 6/00). Недостатками данных электростанций являются:

1. Сферическая форма аэростата, приводящая к неэффективному использованию фотопреобразователей и, как следствие, уменьшению КПД процесса получения электроэнергии;

2. Использование пленочных фотопреобразователей, обладающих по своей физической природе низким КПД;

3. Ежедневное проведение операций намотки на барабан и размотки с него трос-кабеля, которое значительно повышает риск аварии и износа агрегата.

4. Использование для получения электроэнергии только солнечного излучения.

Наиболее близкой является, взятая за прототип, система энергоснабжения наземных потребителей из космоса, включающая в себя, по меньшей мере, одну космическую солнечную электростанцию и наземный пункт приема энергии, передаваемой с космических солнечных электростанций (авторское свидетельство SU №946372 от 31.10.1980, H01J 17/00, B64G 1/10). Недостатками данной системы являются:

1. Наличие космической электростанции и отдельного космического ретранслятора или флотилии отдельных космических электростанций с пассивными ретрансляторами, перенаправляющими энергию, существенно усложняют и удорожают реализацию данной электростанции;

2. При передаче энергии с использованием СВЧ луча, обладающего значительной расходимостью, непосредственно на Землю, площадь его на Земле достигнет больших размеров, что, как указывалось выше, требует создания таких же размеров приемной ректенны, что, в свою очередь, приводит как к удорожанию электростанции, так и к понижению эффективности работы приемных элементов ректенны, и, соответственно, приводит к понижению КПД электростанции, увеличению площади, занимаемой наземным пунктом приема энергии, а также к ухудшению экологической безопасности зоны облучения в месте расположения ректены;

Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении количества получаемой электроэнергии при меньших размерах наземного приемного пункта, а также в повышении экологичности в зоне размещения указанного пункта.

Ниже, при раскрытии сущности изобретения и описании его осуществления и использования, в том числе в частных случаях выполнения, будут названы и другие виды достигаемого технического результата.

Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известной, взятой за прототип, системе энергоснабжения, включающей в себя, по меньшей мере, одну космическую солнечную электростанцию и наземный пункт приема энергии, передаваемой с космической солнечной электростанции, предлагаемая аэростатно-космическая энергетическая система снабжена промежуточным пунктом приема энергии, представляющим собой летательный аппарат легче воздуха в виде управляемого привязного аэростата, со смонтированным на нем служебным модулем управления аэростатом. На поверхности указанного аппарата, обращенной от поверхности Земли, расположены солнечные фотопреобразователи, например трехкаскадные нано-гетероструктурные фотопреобразователи, и лазер, направленный на космическую электростанцию. На поверхности аэростата, обращенной к поверхности Земли, расположены инфракрасные фотопреобразователи и вышеуказанный служебный модуль, при этом указанный аэростат закреплен выше зоны облаков посредством трос-кабеля, соединенного с наземным пунктом приема энергии. Привязной аэростат выполнен дискообразной формы и по периметру его боковой поверхности равномерно смонтированы электромоторы (оптимальный вариант - четыре штуки), соединенные со служебным модулем. На трос-кабеле, выходящем из служебного модуля, последовательно закреплены обезвешивающие аэростатные оболочки. Космическая солнечная электростанция представляет собой спутник, размещенный на орбите, состоящий из автономных (независимых) фотопреобразующих модулей, фокусирующей луч на Землю, зеркальной системы, суперконденсаторов, системы дистанционной передачи энергии, приборно-агрегатного отсека с системами управления, а также систем для приема команд управления и выдачи информации о состоянии работы спутника на наземный пункт.

Указанное выполнение энергетической системы с использованием промежуточного приемного наземного пункта в виде летательного аппарата легче воздуха (привязного аэростата), закрепленного на высоте выше уровня облаков, позволяет не только принимать энергию от космической электростанции, но и, за счет расположения на его дискообразной поверхности трехкаскадных гетероструктурных и инфракрасных фотопреобразователей в большем количестве, чем на шарообразной поверхности, увеличивать выработку электроэнергии от солнечного излучения, а также использовать энергию теплового излучения Земли. Расположение над уровнем Земли позволяет уменьшить площадь, занимаемую наземным приемным пунктом, кроме того, облака, расположенные ниже летательного аппарата, не закрывают фотопреобразователи, расположенные на его поверхности, и выработка ими энергии, поступающей от Солнца, идет все светлое время суток, кроме того, облака не рассеивают лазерное излучение от космической солнечной электростанции. Использование трос-кабеля позволяет избежать существенных потерь при передаче энергии, а также дестабилизации устойчивости самого летательного аппарата - аэростата, на это же, а также на обезвешивание трос-кабеля, направлено и размещение на последнем дополнительных аэростатных оболочек. Кроме того, равномерное расположение по периметру аэростатной оболочки, имеющей форму диска, электромоторов позволяет поддерживать статичное состояние промежуточного приемного пункта (например, при ветре) и обеспечивать его наклон, стремящийся к нормали по отношению лазерного излучения с космической солнечной электростанции. Предложенное выполнение системы позволяет значительно сократить площадь ее наземного сегмента, значительно увеличив при этом количество получаемой электроэнергии (лазерное излучение с космической станции, солнечное излучение и инфракрасное излучение от Земли).

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показаны:

- на фиг.1 - аэростатно-космическая энергетическая система;

- на фиг.2 - аэростат с фотопреобразователями;

- на фиг.3 - наземный сегмент системы.

Предложенная аэростатно-космическая энергетическая система включает в себя, по меньшей мере, одну космическую солнечную электростанцию 1, наземный пункт приема энергии, включающий наземный пункт управления 2 энергетической системой и накопительную систему 3, а также промежуточный пункт приема энергии, представляющий собой летательный аппарат легче воздуха в виде управляемого привязного аэростата 4. На поверхности аэростата 4, обращенной от поверхности Земли расположены, солнечные фотопреобразователи 5 и лазер 6 для наведения на космическую электростанцию 1, а на стороне, обращенной к поверхности Земли, распложены инфракрасные фотопреобразователи 7. Для удобства размещения фотопреобразователей 5 и 7 летательный аппарат 4 выполнен в форме диска. При этом аппарат 4 закреплен выше зоны облаков посредством трос-кабеля 8, соединенного с накопительной наземной системой 3. На боковой поверхности аэростата 4 равномерно по длине окружности смонтированы электромоторы 9, соединенные со смонтированным в центре нижней части аэростата 4 служебным модулем 10, в котором находится вся управляющая аппаратура и аппаратура диагностики аэростата, кабели, а также антенна, для принятия управляющих радиосигналов с наземного пункта и выдачи информации о состоянии систем аэростата (не показаны), при этом на трос-кабеле 8, выходящем из служебного модуля 10, последовательно закреплены обезвешивающие аэростатные оболочки 11. Космическая солнечная электростанция 1 представляет собой спутник, размещенный на орбите, состоящий из автономных (независимых) фотопреобразующих модулей, фокусирующей луч на Землю зеркальной системы, суперконденсаторов, системы дистанционной передачи энергии, приборно-агрегатного отсека с системами управления, а также системами для приема команд управления и выдачи информации о состоянии работы спутника на наземный пункт (не показаны).

Аэростатно-космическая энергетическая система работает следующим образом.

После проведения всех диагностик, предварительных запусков и наведения аэростата 4 на прием лазерного излучения с космической электростанции 1, с наземного пункта управления 2 подается радиосигнал на головную часть космической электростанции 1 о начале работы в нормальном режиме.

Далее принцип работы удобнее разбить на два сегмента:

Космический сегмент.

Когда солнечная космическая электростанция 1 находится на освещенной части орбиты, электрический ток, вырабатываемый фотопреобразователями, которые расположены в фотоизлучающем модуле, заряжает суперконденсаторы и, параллельно, идет на питание линейки диодных лазеров, служащих для накачки волоконного лазера. Далее по оптоволокну от каждого фотоизлучающего модуля излучение приходит в зеркальную систему, расположенную на головной части солнечной космической электростанции 1, где суммируется в один лазерный пучок и, после, передается на фотопреобразователи 5, расположенные на верхней поверхности аэростата 4.

Когда солнечная космическая электростанция 1 находится на неосвещенной части орбиты, электрический ток необходимый для питания линейки диодных лазеров, вырабатывается из суперконденсаторов.

Наземный сегмент.

Для поддержания стабильной связи со спутником 1 используются лазер 6 для наведения на космическую электростанцию 1 и электромоторы 9, поддерживающие аэростат 4 в статичном положении и обеспечивающие наклон аэростата 4 в сторону спутника 1.

В освещенное время суток расположенные в верхней части аэростата 4 фотопреобразователи 5 перерабатывают энергию солнца и лазерное излучение, поступающее с космической электростанции 1. Инфракрасные фотопреобразователи 7, расположенные на нижней части аэростата 4, перерабатывают тепло, поступающее от поверхности Земли. Далее весь электрический ток поступает по трос-кабелю 8 на накопители системы 3, расположенные на Земле.

В неосвещенное время суток расположенные в верхней части аэростата 4 фотопреобразователи 5 перерабатывают лазерное излучение, поступающее с комической электростанции 1. Фотопреобразователи 7, расположенные на нижней части аэростата 7, перерабатывают тепло, поступающее от поверхности Земли. Аппаратура, находящаяся в служебном модуле 10, обеспечивает диагностику, передачу сигналов от аэростата к наземному пункту управления и обеспечивает работу электромоторов 9.

Тем самым обеспечивается круглосуточная работа гибридной солнечной космической электростанции.

Таким образом, предложенная конструкция аэростатно-космической энергетической системы за счет введения промежуточного пункта приема энергии вышеуказанной конструкции, позволила значительно сократить площадь наземного сегмента энергетической системы, значительно увеличив при этом количество получаемой электроэнергии (лазерное излучение с космической станции, солнечное излучение и инфракрасное излучение от Земли). Кроме того, данная энергетическая система может быть использована не только на Земле, но и при освоении других планет.

Изобретение относится к системам энергоснабжения наземных потребителей из космоса. Энергетическая система включает в себя по меньшей мере одну космическую солнечную электростанцию (1), наземный пункт управления (2) с накопительной наземной системой (3), а также промежуточный пункт приема энергии в виде управляемого привязного аэростата (4). На поверхности аэростата (4), обращенной к космосу, расположены солнечные фотопреобразователи (5) и лазер (6) для наведения на космическую электростанцию (1), а на стороне, обращенной к Земле, - инфракрасные фотопреобразователи (7). Аэростат (4) предпочтительно выполнен в форме диска, удерживаемого выше зоны облаков тросом-кабелем (8), соединяющим аэростат с наземной системой (3). На боковой поверхности аэростата (4) смонтированы электромоторы (9), связанные со служебным модулем (10). Трос-кабель (8) обезвешен системой аэростатных оболочек (11). Космическая солнечная электростанция (1) представляет собой спутник Земли, состоящий из автономных фотопреобразующих модулей, фокусирующей зеркальной системы, суперконденсаторов, системы дистанционной передачи энергии. Кроме того, имеются приборно-агрегатный отсек с системами управления и выдачи информации о состоянии работы спутника на наземный пункт управления (2). Технический результат изобретения направлен на увеличение количества получаемой электроэнергии при небольших размерах наземного приемного пункта, а также на улучшение экологической ситуации в зоне размещения данного пункта. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аэростатно-космическая энергетическая система, включающая в себя по меньшей мере одну космическую солнечную электростанцию и наземный пункт приема энергии, передаваемой с космической солнечной электростанции, отличающаяся тем, что система снабжена промежуточным пунктом приема энергии, представляющим собой летательный аппарат легче воздуха в виде управляемого привязного аэростата со смонтированным на нем служебным модулем, при этом на поверхности указанного аппарата, обращенной от поверхности Земли, расположены солнечные фотопреобразователи и лазер, направленный на космическую солнечную электростанцию, а на поверхности, обращенной к поверхности Земли, расположены инфракрасные фотопреобразователи и вышеуказанный служебный модуль управления аэростатом, при этом указанный аэростат закреплен выше зоны облаков посредством трос-кабеля, соединенного с наземным пунктом приема энергии.

2. Аэростатно-космическая энергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что летательный аппарат легче воздуха выполнен дискообразной формы, и по периметру его боковой поверхности равномерно смонтированы электромоторы, соединенные со служебным модулем.

3. Аэростатно-космическая энергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что между служебным модулем и наземным пунктом приема энергии на трос-кабеле, выходящем из служебного модуля, последовательно закреплены обезвешивающие аэростатные оболочки.

4. Аэростатно-космическая энергетическая система по п.1, отличающаяся тем, что космическая солнечная электростанция представляет собой размещенный на орбите спутник, состоящий из независимых между собой фотопреобразующих модулей, фокусирующей луч зеркальной системы, суперконденсаторов, системы дистанционной передачи энергии, приборно-агрегатного отсека с системами управления, а также систем для приема команд управления и выдачи информации о состоянии работы спутника на наземный пункт.