Аэростатно-космическая энергетическая система (акэс)

Изобретение относится к системам энергоснабжения наземных потребителей из космоса. Система включает в себя космическую солнечную электростанцию, выполненную в виде N≥1 соединенных между собой автономных модулей. Автономные модули состоят из независимых фотопреобразующих модулей с пленочными сферическими концентраторами солнечного излучения и фокусирующими лазерный луч зеркальными системами в виде замкнутых сфероидальных полостей, наполненных инертным газом и снабженных системами адаптивной коррекции термооптических искажений сфероидальных полостей. Промежуточный пункт приема энергии размещен выше зоны облаков и выполнен в виде K≥1 автономных беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с системой двигателей перемещения и стабилизации и системой сферических концентраторов лазерного излучения, оптически сопряженных с сегментированными фотопреобразователями лазерного излучения в СВЧ сигнал, и антенными СВЧ устройствами с системой наведения для передачи СВЧ Р≥1 независимых наземным потребителям, пространственно-распределенным по поверхности Земли. Техническим результатом изобретения является обеспечение поставки энергии потребителям в труднодоступные регионы поверхности Земли. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к системам солнечного энергоснабжения наземных (воздушных) потребителей из космоса.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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 передающей антенны (до 1 км и приемной ректенны до 10 км), что приводит как к удорожанию электростанции, так и к понижению эффективности ее работы

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 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 ректенны; 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.

Известна также 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, что 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 ректенны;

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является:

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.

(Авторское свидетельство RU 2481252 С1 (заявка: 2011141939/11, 18.10.2011 B64G 1/42 (2006.01) В64В 1/50 (2006.01), опубликовано: 10.05.2013 Бюл. №13). Однако недостатком прототипа является то, что:

1. Для получения больших энергетических мощностей космических электростанций (например, ГВт уровня) требуются значительные поля (5-10 км²) фотоэлектрических панелей. Это требует доставку и монтаж в космосе крупноразмерных конструкций, которые невозможно переправить на орбиту целиком за один раз. Требуется провести большого количества пусков ракетоносителей, проведение сложной, дорогостоящей сборки крупногабаритных конструкций в космосе.

2. Большие массогабаритные параметры, сложная сетевая конструкция космического сегмента подвержена воздействию агрессивной среды космического пространства, повышает риск выхода из строя ее отдельных узлов и оборудования в целом;

3. Привязные аэростаты, поднятые на значительные высоты (выше 10-15 км) представляю собой помехи для воздушного транспорта. Кроме того они должны поднимать тяжелые толсто-жильные кабели, необходимые для передачи мощных энергетических потоков. Удельный вес таких кабелей может составить более 800 кг/км.

Обеспечить такую грузоподъемность очень сложно, требуется создать аэростаты несколько сотен метров в диаметре. Использование дополнительной аэростатной разгрузки делает всю систему громоздкой и неустойчивой к ветровым нагрузкам, что снижает ее устойчивость и надежность.

4. Система передачи энергии на базе привязных аэростатов под воздействием порывов ветра будут резко изменять свое пространственное положение, даже при использовании дополнительных стабилизирующих воздушных электродвигателей, создавая реальную угрозу воздушному авиатранспорту, затрудняя передачу на нее лазерного излучения от космического сегмента.

5. Привязные аэростатные системы легко уязвимы к воздействию атмосферного электричества, молний, а в зимнее время обледенению разгрузочных аэростатов, удерживающих тросов и электрических кабелей, что может приводить к их обрывам и, как следствие, к техногенным катастрофам.

Таким образом, предложенная аэростатно-космическая энергетическая система передачи энергии на базе привязных аэростатов не обеспечивает всепогодность, надежность и гибкость системы энергообеспечения, особенно в местах труднодоступных для передачи энергии, например в регионах крайнего Севера.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося:

- в увеличении количества потребителей получаемой электроэнергии в пространственно-распределенные труднодоступные регионы России,

- в повышении надежности передачи энергии потребителям в независимости от погодных условий, времен года и суток, при меньших размерах космического, воздушного и наземного сегментов солнечной аэрокосмической энергетической системы, что позволяет значительно снизить затраты на монтаж и эксплуатацию космического, воздушного и наземных сегментов аэростатно-космического энергетического комплекса.

- в возможности гибко и оперативно перераспределять энергетические потоки среди наземных потребителей энергии

- в уменьшении зон и уровней экологического воздействия на среду обитания за счет пространственного разделения общего энергетического потока на локальные пространственно распределенные потоки,

- в возможности автоматического разворачивания аэростатно-космической энергетической системы в космическом пространстве без участия космонавтов и возможности наращивания ее энергетического потенциала, путем количественного увеличения числа автономных модулей космического сегмента,

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

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Указанный технический результат достигается тем, что, как и в известной, взятой за прототип аэростатно-космической энергетической системе, включающей в себя космическую солнечную электростанцию, состоящую из независимых между собой фотопреобразующих модулей, фокусирующей луч зеркальной системы, системы дистанционной передачи энергии, приборно-агрегатного отсека с системами управления, промежуточный пункт приема энергии, установленный выше зоны облаков и представляющий собой летательный аппарат со служебным модулем, по периметру боковой поверхности, которого равномерно смонтированы электромоторы, соединенные со служебным модулем, а на поверхности, обращенной от поверхности Земли, расположены солнечные фотопреобразователи и лазер, направленный на космическую солнечную электростанцию, и наземный пункт приема энергии, комическая электростанция выполнена в виде N≥1 функционально законченных и соединенных между собой автономных модулей, а в состав каждого автономного модуля включены пленочный сферический концентратор солнечного излучения и система адаптивной коррекции термооптических искажений системы дистанционной передачи энергии. Промежуточный пункт приема энергии выполнен в виде K≥1 автономных беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с системой двигателей перемещения и стабилизации в воздушном пространстве Земли, а в состав каждого БЛА введены сферический концентратор лазерного излучения, сегментированный фотопреобразователи лазерного излучения в СВЧ сигнал и антенное СВЧ устройство с системой наведения, причем сферический концентратор лазерного излучения направлен в сторону космической солнечной электростанции, а антенное СВЧ устройство БЛА направлено в сторону наземного пункта приема энергии. Наземный пункт приема энергии выполнен в виде Р>1 независимых пространственно-распределенных по поверхности Земли антенных полей, включающих, циклотронные преобразователи СВЧ излучения в электрический ток (ректенны), накопители электрической энергии и систему сопряжения с электрическими сетями потребителя, причем центр каждого антенного поля снабжен СВЧ маяком, направленным в сторону БЛА.

Пленочный сферический концентратор солнечного излучения, каждого автономного модуля космической солнечной электростанции, выполнен в виде замкнутой полости, наполненной инертным газом, верхняя часть которой прозрачна для солнечного излучения, а нижняя представляет собой зеркальную отражающую поверхность, концентрирующую солнечное излучение на поверхности фотоэлектрических преобразователей.

Фокусирующая луч зеркальная системы, системы дистанционной передачи энергии каждого модуля, выполнена в виде замкнутой сфероидальной полости, наполненной инертным газом, внешняя полусфера которой прозрачна для лазерного излучения, а внутренняя представляет собой зеркальную отражающую поверхность, при этом система адаптивной коррекции термооптических искажений системы дистанционной передачи энергии размещена в зоне оптически сопряженной с зеркальной отражающей поверхностью замкнутой сфероидальной полости и снабжена механизмами изменения формы управляемой поверхности.

Сферический концентратор лазерного излучения БЛА выполнен в виде замкнутой полости, заполненной инертным газом, легче воздуха, внешняя поверхность полусферы которой прозрачна для лазерного излучения, а внутренняя выполнена в виде сопряженных оптических элементов, обеспечивающих концентрацию лазерного излучения на поверхность сегментированного фотопреобразователя лазерного излучения в СВЧ сигнал, причем сам сегментированного фотопреобразователя лазерного излучения размещен на сфероидальной поверхности, обращенной своей поверхностью в сторону концентратора лазерного излучения.

Комическая электростанция строится по модульному принципу, заключающемуся в состыковке между собой N>1 отдельных функционально законченных модулей, транспортировка и монтаж которых на космической орбите осуществляется самостоятельно. Каждый из модуль будет аккумулировать и передавать потребителям (1/N) P₁ общей передаваемой мощности солнечного излучения, а наращивание мощности будет осуществляться путем увеличения числа модулей N>1 и стыковки их между собой.

Пленочный сферический концентратор солнечного излучения каждого модуля предназначенн для концентрации солнечной энергии (500-1000 раз) на фотоэлектрических преобразователях, увеличивая тем самым КПД преобразования и снижая габариты фотоэлектрических панелей, а, следовательно, стоимость космического сегмента.

В состав каждого модуля также вводится комплекс преобразования солнечной энергии в лазерное излучение (например, на базе наноантенных элементов, или лазеров с солнечной, солнечно-электрической накачкой) и система адаптивной коррекции (САК) термооптических искажений зеркальной системы фокусировки лазерное излучение.

Это необходимо для компенсации термооптических искажений волнового фронта лазерного излучения, вызванных нагревом и деформациями зеркальной системы, формирующей мощный лазерный луч, а также для прецизионного наведения лазерного излучения (порядка 10^-7 рад) на лазерный маяк БЛА.

При этом выполнение промежуточного пункт приема энергии в виде K>1 автономных высотных беспилотного летательного аппарата (БЛА) с системой двигателей перемещения и стабилизации в воздушном пространстве Земли выше тропосферы позволяет БЛА свободно перемещать в стратосфере и стабилизировать свое о положение в заданном регионе Земли, для передачи энергии в любую точку на поверхности Земли, потенциальным потребителем энергии. В этом случаи лазерное излучение без потерь (космическое пространство) от каждого модуля направляется на один или несколько БЛА, наводясь на размещенный на поверхности БЛА лазер-маяк. Введение в состав каждого БЛА фотопреобразователя лазерного излучения в СВЧ излучение (например, 2.45, 4.8 ГГц диапазона) и антенного СВЧ устройства с системой наведения, позволяет СВЧ излучение и направляется наземным потребителям через тропосферу практически без потерь, днем и ночью в любых погодных условиях. А введение сферического концентратора лазерного излучения БЛА, выполненного в виде замкнутой полости, заполненной инертным газом легче воздуха, позволяет повысить подъемную силу БЛА и, за счет нагрева инертного газа тепловым излучением энергии лазера, позволяет обеспечивать долговременную работу БЛА при нахождении в верхних слоях атмосферы. Кроме того сферический концентратор лазерного излучения позволяет повысить плотность излучения на сегментированом фотопреобразователе лазерного излучения в СВЧ сигнал и тем самым повысить КПД преобразования.

Наземный пункт приема энергии выполнен в виде Р>1 независимых пространственно-распределенных по поверхности Земли антенных полей преобразователей СВЧ излучения в электрический ток. Антенные поля при этом имеют умеренные размеры (десятки метров), что дает возможность передавать энергию мобильным (воздушным, морским) и малогабаритным наземным потребителям. Что очень важно для обеспечением энергией потребителей в труднодоступных местах (на Крайнем Севере, в горах, в лесах и т.д.), а также в условиях техногенных и природных катастроф.

Для наведения диаграммы направленности антенного СВЧ устройства БЛА на наземный пункт приема энергии центр каждого антенного поля снабжен СВЧ маяком.

Для доставки и автоматического разворачивания в космосе без участия человека пленочный сферический концентратор солнечного излучения комической выполнен в виде замкнутой полости, которую наполняют нейтральным газом (например, гелием), при разворачивании в космическом пространстве.

Кроме того для удобства доставки и автоматического разворачивания в космосе, а также для значительного удешевления космического сегмента, зеркальную систему фокусирующую луч, также выполняют в виде замкнутой сфероидальной полости, которую при разворачивании в космосе наполняю нейтральным газом, а для корректировки ее аберраций и термооптических искажений используют систему адаптивной коррекции (САК), которая по сигналу от лазерного маяка БЛА корректирует термооптические искажения и аберрации зеркальной отражающей поверхности замкнутой сфероидальной полости.

Предложенное выполнение системы позволяет значительно увеличить количество наземных потребителей энергии и обеспечить гибкость и надежности передачи энергии потребителям в независимости от погодных условий, времен года и суток.

Существенным достоинством предлагаемого технического решения является то, что для транспортировки элементов космического сегмента АКЭС не требуется создание уникальных космических транспортных систем, а монтаж и разворачивание космического сегмента АКЭС может осуществляться автоматически без участия космонавтов, путем заполнения замкнутых полостей зеркального концентратора солнечного излучения и зеркальной отражающей поверхности замкнутой сфероидальной полости нейтральным газом.

Существенным достоинством предлагаемого технического решения также является то, что наращивание энергетического потенциала АКЭС может осуществляться путем количественного увеличения модулей космического сегмента АКЭС.

Сущность настоящего изобретения поясняется фиг. 1-4, на которых показаны:

- на фиг. 1 - аэростатно-космическая энергетическая система (АКЭС), где

1 - космическая солнечная электростанция

2 - фотопреобразующие модули

3 - фокусирующая луч зеркальная система

4 - система дистанционной передачи энергии

5 - приборно-агрегатный отсек с системами управления

6 - промежуточный пункт приема энергии БЛА

7 - служебным модулем управления БЛА

8 - солнечные фотопреобразователи БЛА

9 - лазер-маяк, БЛА

10 - наземный пункт приема энергии

11 - функционально законченные и соединенные между собой автономные модули АКЭС,

12 - пленочный сферический концентратор солнечного излучения АКЭС,

- на фиг. 2 - функционально законченный автономный модуль космической энергетической системы (космический сегмент), где

2 - фотопреобразующие модули

3 - фокусирующая луч зеркальная система

4 - система дистанционной передачи энергии

5 - приборно-агрегатный отсек с системами управления

11 - функционально законченный автономный модуль АКЭС,

12 - пленочный сферический концентратор солнечного излучения АКЭС,

14 - система адаптивной коррекции термооптических искажений фокусирующей луч зеркальной системы

18 - замкнутая сфероидальная полость фокусирующей луч зеркальной системы

24 - зеркальная отражающей поверхность 24 замкнутой сфероидальной полости 18

- на фиг. 3 - аэростатный пункт приема энергии (стратосферный сегмент), где

7 - служебный модуль управления БЛА

8 - солнечные фотопреобразователи БЛА

9 - лазер-маяк БЛА

15 - автономный беспилотный летательный аппаратов (БЛА)

16 - система двигателей перемещения и стабилизации БЛА в воздушном пространстве Земли,

17 - антенное СВЧ устройство с системой наведения БПЛ

25 - сферический концентратор лазерного излучения БПЛ

26 - внешняя поверхность полусферы сферического концентратора

27 - сегментированные фотопреобразователи лазерного излучения в СВЧ сигнал

- на фиг. 4 - наземный пункт приема энергии (наземный сегмент), где

19 - антенное поле наземного пункта приема энергии 10

20 - циклотронные преобразователи СВЧ излучения в электрический ток (ректенны),

21 - накопители электрической энергии

22 - систему сопряжения с электрическими сетями потребителя,

23 - СВЧ маяк

Суть предлагаемого технического решения заключается в создании гибкой пространственно-распределенной системы энергообеспечения наземных потребителей энергией солнечной энергией круглосуточного и всепогодного на значительной территории Земной поверхности.

Аэростатно-космическая энергетическая система, включающая в себя, по меньшей мере, одну космическую солнечную электростанцию 1, состоящую из независимых между собой фотопреобразующих модулей 2, фокусирующей луч зеркальной системы 3, системы дистанционной передачи энергии 4, приборно-агрегатного отсека с системами управления 5. Космическая солнечная электростанция 1, построена по модульному принципу и состоит из N>1 функционально законченных и соединенных между собой автономных модулей 11, а в состав каждого модуля дополнительно включены пленочный сферический концентратор солнечного излучения 12 с устройством преобразования солнечной энергии в электрическую 13 и система адаптивной коррекции термооптических искажений зеркальной системы 14, пленочный сферический концентратор солнечного излучения 12, каждого космического модуля 11, выполнен в виде замкнутой полости, наполненной инертным газом, верхняя часть которой прозрачна для солнечного излучения, а нижняя представляет собой зеркальную отражающую поверхность, концентрирующую солнечное излучение на поверхности фотоэлектрических преобразователей 2. Фокусирующая луч зеркальная система 3, выполнена в виде замкнутой сфероидальной полости 18, наполненной нейтральным газом, внешняя полусфера которой прозрачна для лазерного излучения, а внутренняя 24 представляет собой зеркальную отражающую поверхность, при этом системы адаптивной коррекции термооптических искажений зеркальной системы 14 выполнена в виде гибкой управляемой поверхности (не показано), размещенной в зоне, оптически сопряженной с зеркальной отражающей поверхностью 24 замкнутой сфероидальной полости 18, и снабжена механизмами изменения формы гибкой управляемой поверхности (не показано) по сигналу лазера-маяка БЛА 9.

Промежуточный пункт приема энергии 6 со служебным модулем управления 7 и размещенными на его поверхности солнечными фотопреобразователями 8, лазером-маяком 9, выполнен в виде K>1 автономных беспилотных летательных аппаратов (БЛА) 15 с системой двигателей 16 для перемещения и стабилизации в воздушном пространстве Земли выше тропосферы (в стратосфере). В состав каждого БЛА дополнительно введены сферический ячеистый концентратор лазерного излучения 25, сегментированный фотопреобразователи лазерного излучения в СВЧ сигнал 27 и антенное СВЧ устройство с системой наведения 17. Сферический ячеистый концентратор лазерного излучения БЛА 25 выполнен в виде замкнутой полости, заполненной инертным газом, легче воздуха, внешняя поверхность полусферы которой 26 прозрачна для лазерного излучения и выполнена в виде взаимно сопряженных оптических элементов, обеспечивающих концентрацию лазерного излучения на фотоэлектрических преобразователях 27, причем сами фотоэлектрические фотопреобразователи 27 размещены на сфероидальной поверхности, обращенной своей поверхностью в сторону концентратора лазерного излучения 25.

Наземный пункт приема энергии 10 выполнен в виде Р>1 независимых пространственно-распределенных по поверхности Земли антенных полей 19 преобразователей СВЧ излучения в электрический ток, включающих, циклотронные преобразователи СВЧ излучения в электрический ток (ректенны) 20, накопители электрической энергии 21 и систему сопряжения с электрическими сетями потребителя 22, причем центр каждого антенного поля снабжен СВЧ маяком 23, направленным в сторону БЛА 15. Антенное СВЧ устройство 17 БЛА направляет СВЧ излучение в сторону СВЧ-маяка 23 наземного пункта приема энергии 10. Там СЧВ излучение на ректеннах 20 преобразуется в электрический ток, который накапливается в накопителях электрической энергии 21, а затем через систему сопряжения 22 предается потребителям.

Система информации, навигации, управления АКЭС (не показано) предназначена для управления АКЭС, его сегментами, отдельными элементами, средствами обеспечения безопасности, сбора данных о состоянии атмосферы по направлениям передачи энергии и в местах расположения наземных ректенн, выполнения точных навигационных определений в целях согласования функционирования космического, стратосферного и наземного сегментов АКЭС, поддержания заданных параметров излучений и токов в соответствии с перечнем и установленными режимами работы потребителей энергии.

ОБЩАЯ СХЕМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АКЭС.

Солнечный свет, концентрируемый на солнечных батареях космического сегмента АКЭС, преобразуется в постоянный электрический ток, которым питаются источники накачки лазерного излучения. Формируемое лазерное излучение передается на СтС сквозь космическое пространство и верхние слои атмосферы (стратосферу) практически без потерь. Энергия лазерного излучения концентрируется на сегментированном фотопреобразователе лазерного излучения в СВЧ сигнал и антенное СВЧ устройство, работающие на частотах, 2.45, 4.8 ГГц. С учетом навигационных данных и данных о состоянии атмосферы строго ориентируются на маяк наземной ректенны с учетом данных об электропроводимости атмосферы. Зоны возможного приема выбираются по максимальному углу луча и вертикали, исключающем дифракцию на земной поверхности и бесконтрольное облучение объектов промышленности, инфраструктуры, жилых районов. Атмосфера при этом практически всепогодно радиопрозрачна для микроволновых систем, даже в приземном слое, несмотря на высокую и плотную облачность, в том числе в высоких широтах нашей страны.

Когда солнечная космическая электростанция 1 находится на освещенной части орбиты, электрический ток, вырабатываемый фотопреобразователями 13, которые заряжают суперконденсаторы и, параллельно, идет на питание линейки лазеров. Далее излучение приходит в зеркальную систему 3, расположенную на головной части каждого модуля солнечной космической электростанции 11, где формируется суммарная диаграмма направленности лазерного пучка. Зеркальная система комического модуля наводит диаграмму направленности на сферический концентратора лазерного излучения БЛА 25 по лазерному маяку 9, который размещается в его центре. Сигнал от лазерного маяка является также опорным источником для контроля термооптических искажений зеркальной системы 3 системы наведения космического сегмента 4. Адаптивная система коррекции 14 обеспечивает коррекцию искажений и лазерный пучек попадает на концентратор лазерного излучения 25 практически без искажений, тем самым обеспечивается его точная стабилизация и повышение плотности излучения на ФЭП 27, а, следовательно, повышение КПД преобразования лазерного излучения в электрический сигнал.

Электрический сигнал преобразуется в СВЧ излучение, которое через СВЧ антенное устройство 17 направляется на наземный пункт приема 19 с помощью наземного СВЧ маяка 23, размещенного в центре поля приемных антенн (ректенн), преобразуется в электрический ток и направляется в накопительную систему 21 и потребителям 22. Когда солнечная космическая электростанция 1 находится на неосвещенной части орбиты, электрический ток необходимый для питания лазеров, вырабатывается из суперконденсаторов (не показан). Тем самым обеспечивается круглосуточная работа гибридной солнечной космической электростанции.

Комбинированный вариант лазерной доставки энергии на заатмосферную платформу, преобразование ее в ток, питающий микроволновые генераторы, и излучение микроволн на Землю наиболее оптимален. Размер микроволновой ректенны можно уменьшить до нескольких десятков метров, а ректенные преобразователи сформировать на основе высокоэффективных надежных (с КПД долее 80%) электронных циклотронных преобразователей микроволн в постоянный ток, нечувствительных к перегрузкам, что особенно важно для мощных систем беспроводной передачи энергии.

Вышеперечисленные отличительные признаки предлагаемой аэростатно-космической энергетической системы позволяют использовать ее в качестве перспективного энергетического комплекса XXI-века для энергообеспечения наземных, воздушных и космических объектов в труднодоступных регионах Земного шара, в ближней и дальней зонах космического пространства. Таким образом, представленный перечень отличительных признаков является существенным для решения поставленных целей и задач и достижения технического результата.

1. Аэростатно-космическая энергетическая система, включающая в себя космическую солнечную электростанцию, состоящую из независимых между собой фотопреобразующих модулей, фокусирующей луч зеркальной системы, системы дистанционной передачи энергии, приборно-агрегатного отсека с системами управления, промежуточный пункт приема энергии, установленный выше зоны облаков и представляющий собой летательный аппарат со служебным модулем, по периметру боковой поверхности которого равномерно смонтированы электромоторы, соединенные со служебным модулем, а на поверхности, обращенной от поверхности Земли, расположены солнечные фотопреобразователи и лазер, направленный на космическую солнечную электростанцию, и наземный пункт приема энергии, отличающаяся тем, что космическая электростанция выполнена в виде N≥1 функционально законченных и соединенных между собой автономных модулей, а в состав каждого автономного модуля включены пленочный сферический концентратор солнечного излучения и система адаптивной коррекции термооптических искажений системы дистанционной передачи энергии, при этом промежуточный пункт приема энергии выполнен в виде K≥1 автономных беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с системой двигателей перемещения и стабилизации в воздушном пространстве Земли, а в состав каждого БЛА введены сферический концентратор лазерного излучения, сегментированный фотопреобразователь лазерного излучения в СВЧ сигнал и антенное СВЧ устройство с системой наведения, причем сферический концентратор лазерного излучения направлен в сторону космической солнечной электростанции, а антенное СВЧ устройство БЛА направлено в сторону наземного пункта приема энергии, при этом сам наземный пункт приема энергии выполнен в виде Р≥1 независимых пространственно-распределенных по поверхности Земли антенных полей, включающих ректенны, накопители электрической энергии и систему сопряжения с электрическими сетями потребителя, причем центр каждого антенного поля снабжен СВЧ маяком, направленным в сторону БЛА.

2. Аэростатно-космическая энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что пленочный сферический концентратор солнечного излучения каждого автономного модуля космической солнечной электростанции выполнен в виде замкнутой полости, наполненной инертным газом, верхняя часть которой прозрачна для солнечного излучения, а нижняя представляет собой зеркальную отражающую поверхность, концентрирующую солнечное излучение на поверхности фотоэлектрических преобразователей.

3. Аэростатно-космическая энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что фокусирующая луч зеркальная система системы дистанционной передачи энергии каждого модуля выполнена в виде замкнутой сфероидальной полости, наполненной инертным газом, внешняя полусфера которой прозрачна для лазерного излучения, а внутренняя представляет собой зеркальную отражающую поверхность, при этом система адаптивной коррекции термооптических искажений системы дистанционной передачи энергии размещена в зоне, оптически сопряженной с зеркальной отражающей поверхностью замкнутой сфероидальной полости, и снабжена механизмами изменения формы управляемой поверхности.

4. Аэростатно-космическая энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что сферический концентратор лазерного излучения БЛА выполнен в виде замкнутой полости, заполненной инертным газом легче воздуха, внешняя поверхность полусферы которой прозрачна для лазерного излучения, а внутренняя выполнена в виде сопряженных оптических элементов, обеспечивающих концентрацию лазерного излучения на поверхность сегментированного фотопреобразователя лазерного излучения в СВЧ сигнал, причем сам сегментированный фотопреобразователь лазерного излучения размещен на сфероидальной поверхности, обращенной своей поверхностью в сторону концентратора лазерного излучения.