Солнечные космические электростанции

Что представляет собой солнечная космическая электростанция (СКЭС)? Разместиться она должна будет на так называемой геостационарной орбите – круговой траектории радиусом около 35 тыс. км. Обращаясь вокруг Земли за 24 ч, станция вращается синхронно с планетой и как бы повисает над определенной точкой ее поверхности. (На такие орбиты в наши дни запускают трансляционные спутники связи – широко известные «Молнии», «Экраны» и др.). Станция, находящаяся на такой орбите, свыше 99% времени будет освещаться солнечными лучами. Каждый квадратный метр фотоэлектрических «крыльев» станции будет получать от Солнца около 15 кВт мощности. В принципе нет ничего трудного в том, чтобы построить «крылья» площадью несколько десятков квадратных километров и вырабатывать миллионы киловатт электроэнергии. Согласно одному из проектов солнечная электростанция с двумя «крыльями» размером 5X6 км каждое при коэффициенте преобразования света в электричество – 0,1 сможет давать 5 млн. кВт – столько же, сколько дают сегодня наши крупнейшие гидроэлектростанции.

Принципиальная схема подобной СКЭС приведена на рис. 2.47.

Рисунок 2.60 - Принципиальная схема СКЭС

Есть и другой проект, в соответствии с которым вместо фотоэлектрических батарей в космосе из отдельных модулей собираются гигантские зеркала. С их мощностью можно сфокусировать солнечные лучи с большой площади на мощном паровом котле. А дальше по, привычной схеме: образующийся перегретый пар вращает турбину, та, в свою очередь, приводит в движение электрогенератор.

.

а)

б)

Рисунок 2.61 - Концепция СКЭС с фокусирующими

зеркалами (а) и модулями (б)

Концепция СКЭС с фокусирующими зеркалами и модулями приведены на рис. 2.48.

Масса оборудования СКЭС мощностью 10 млн. кВт на фотоэлектрических батареях составит около 35 тыс. т, а станции с турбогенераторами – более 100 тыс. т. Как же забросить такую махину в космос? Ясно, что сборку СКЭС лучше всего, вероятно, проводить на околоземной орбите по частям, используя для их доставки автоматические транспортные корабли, прототипы которых - «Прогрессы» стали уже привычным атрибутом наших космических экспедиций. Когда станция будет смонтирована, ее с помощью ракетных двигателей медленно и аккуратно – чтобы не создавать больших перегрузок и не повредить конструкции – переведут на геостационарную орбиту.

Допустим, что все проблемы, связанные со строительством СКЭС и выработкой на ней электроэнергии, решены. Станция вырабатывает миллиарды киловатт-часов электричества, но что с ним делать дальше? Энергию ждут потребители на Земле, но как ее туда передать, не по проводам же?

Сегодня ряд научных коллективов у нас в стране и за рубежом занимается проблемами беспроводной передачи энергии на дальние расстояния. В принципе есть два способа делать это: с помощью лазерного луча либо с помощью сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (СВЧ). Наиболее отработан на сегодня второй способ, в расчеты которого и практическое осуществление большой вклад внес выдающийся советский физик, лауреат Ленинской и Нобелевской премий академик П. Л. Капица. Этот способ сулит огромные выгоды: электричество можно будет перекачивать по волноводам, трубам подобно нефте- и газопроводам, проложенным под землей.

В условиях космического вакуума энергия в СВЧ-луче будет распространяться практически без рассеяния и потерь. А в атмосфере под действием СВЧ-излучения возникает узкий канал, образованный ионизованными молекулами газа. По этому каналу энергия в форме электромагнитного излучения будет беспрепятственно передаваться за десятки тысяч километров от СКЭС к потребителям на Земле. На ее поверхности чаша приемной антенны диаметром несколько километров примет СВЧ-излучение, которое затем будет преобразовано в обычный переменный или постоянный ток и поступит в электрическую сеть.

Однако жизнь может внести в этот проект существенные коррективы. Все чаще в земных условиях, желая ограничить протяженность высоковольтных ЛЭП и уменьшить потери электроэнергии расходы на строительство, непроизводительное отчуждение земель, мы стремимся приблизить энергоемкие производства к источникам энергии.

Плюсы и минусы СКЭС

В принципе СВЧ-лучи представляют опасность и для людей, путешествующих по воздуху. По идее корпус самолета должен защитить, экранировать экипаж и пассажиров от вредного воздействия лучей. Но не возникнут ли при этом сбои в работе бортовой электронной аппаратуры, гибельные для самолета? Возможно, что какие-то зоны придется объявить запретными для воздушного транспорта.

Самого внимательного изучения требует и проблема размещения наземных приемных антенн и их влияния на окружающую среду. Район приемной антенны – это территория около 250 км². Изъять ее из полезного использования непозволительная роскошь в наше время. Но специалисты утверждают, что решетку антенны можно приподнять над поверхностью и использовать территорию под сельскохозяйственные угодья – пашни, сады, пастбища. Ведь решетка практически полностью поглощает излучение, пропуская при этом солнечный свет и осадки. В крайнем случае можно размещать приемные антенны на море или необитаемых островах.

Что касается выбросов в атмосферу вредных отходов – то, чем страдают тепловые электростанции, в этом отношении солнечные электростанции безупречны.

Правда, есть одна серьезная опасность. Она, впрочем, может стать препятствием на пути не только СКЭС, но и вообще массовой космической экспансии. Современные ракетные двигатели, работающие на химическом топливе, выбрасывают в атмосферу большое количество окислов азота. Накапливаясь в районах космических трасс, они будут влиять на состав и свойства верхних слоев атмосферы. В частности, окислы азота способствуют распаду молекул озона, что, в конечном счете, может привести к разрушению озонового пояса – своеобразного щита, укрывающего все живое на планете от губительного действия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Между тем строительство и эксплуатация СКЭС и других объектов космической индустрии потребуют создания мощного космического флота, который мог бы обеспечить регулярную доставку больших партий грузов. Как поведет себя озоновый пояс под такой огромной нагрузкой, сказать трудно.

Таковы плюсы и минусы солнечной космической энергетики. Впрочем, такая картина характерна для всей энергетики в целом. Мы не знаем сейчас ни одного источника энергии, который обладал бы только достоинствами и был свободен от недостатков. Экономика и экология диктуют энергетике свои жесткие требования, и с ними нельзя не считаться.

В области проектирования и предполагаемого строительства СКЭС можно отметить такие страны как США, Россия и Япония. Если в России проект СКЭС приостановлен, то в США и Японии он продолжает развиваться.

Например, комиссия по деятельности коммунальных служб Калифорнии одобрила соглашение на покупку компанией Pacific Gas and Electric Company с 2016 года 200 мегаватт электроэнергии, производимой на космической солнечной электростанции компании Solaren. Компания Solaren проектирует спутник - солнечную электростанцию. На поверхность планеты энергия будет передаваться в виде луча радиоволн в микроволновом диапазоне на специальную станцию приема (рис. 2.48).. Поток солнечной энергии на геосинхронной орбите практически непрерывен. Наземные солнечные электростанции работают только в дневное время суток и в ясную погоду.
Но космической солнечной энергетике противостоит высокая стоимость доставки грузов на орбиту, поясняет Ричард Шварц (Richard Schwartz) из Университета Пардью (Индиана, США). Шварц возглавлял комитет Национальной Академии США, который в 2001 году дал подробные оценки исследованиям НАСА в области космических солнечных электростанций.
Кэл Боермэн, директор департамента энергетических услуг компании So laren, заявил что компания спроектировала спутник максимально облегченной конструкции. Полученный компанией патент описывает способы умень шения массы системы, в том числе использование надувных зеркал для концентрации солнечного света на фотоэлементах и системы радиаторов для охлаждения фотоэлементов.
Боермэн заявил, что компания Solaren может создать работающую солнечную электростанцию космического базирования, но она не ожидает вытеснения других возобновляемых источников энергии с рынка. Законы Калифорнии и других штатов США требуют увеличения доли возобновляемых источников энергии в ближайшие годы.

Многие исследователи сомневаются, что проект технически осуществим. Сам процесс работы установки хорошо известен. Он начинается со сбора и преобразования энергии солнечного излучения фотоэлементами. Далее энергия поступает на антенну, которая передает ее в виде микроволнового излучения на Землю, где принимающая антенна преобразовывает микроволны в электричество. Уже в 1975 году ученые Лаборатории Реактивного Движения (НАСА, США) передали посредством микроволн энергию на расстояние в 1,54 километра. Позднее ученые передали энергию на расстояние 148 километров, между двумя гавайскими островами.

Японские ученые также обратили свое внимание за пределы планеты в вопросе использования альтернативных источников энергии. Искусственный спутник Земли собирающий энергию Солнца и передающий ее на поверхность планеты - вот их цель.
Солнечные электростанции космического базирования были мечтой в течении нескольких десятилетий как в США, так и в Японии. Несмотря на то, что высокая стоимость их создания была сдерживающим фактором, тем не менее теперь у Японии появилось новое понимание данного вопроса. Разработан национальный космический план, призывающий к программе «мирового лидерства в сфере солнечной энергетики космического базирования». В университете Киото была проведена встреча политиков, инженеров и ученых по данному вопросу.
Взгляды правительства «являются определенной вехой в энергетике и вызвали большое волнение среди исследователей солнечных космических энергоустановок», - заявил президент университета Киото Хироши Мацумото (Hiroshi Matsumoto).
Исследователи надеются запустить полномасштабную модель к 2030 году. Для экономической жизнеспособности данного вида энергоустановок, еще предстоит резко снизить затраты.
Япония занимается исследованиями в данной области начиная с 80-х годов. В 1983 и 1993 в ионосферу была запущена ракета с целью исследования распространения микроволн. Группа ученых из Университета Киото впервые использовала микроволны для передачи энергии с неподвижно висящего на высоте 30 метров дирижабля на поверхность Земли.
Текущие планы предусматривают расширение исследований, а именно серию тестов, где каждый последующий тест будет проводиться со все большей мощностью. Сперва будет продемонстрирована наземная передача энергии в киловаттном диапазоне мощности. Далее передача той же мощности из космоса, либо с японского модуля Кибо пристыкованного к МКС, либо с небольшого спутника. К 2020 исследователи рассчитывают иметь опытный образец спутника, передающего энергию в диапазоне мощности в сотни киловатт, а к 2030 - в гигаваттном диапазоне. Как это видится сегодня, система, запущенная к 2030 году, будет представлять собой массив солнечных элементов шириной в 2 километра с массивом передающих антенн в 1 миллиард штук, каждая из которых размером в 5-10 сантиметров, направленных в сторону Земли.
Ближайшая цель состоит в том, чтобы сделать спутники стоимостью менее 1 триллиона йен (11 миллиардов долларов США) каждый. Их стоимость в настоящее время оценивается в сто раз больше. Одна из проблем, которую предстоит решить, это увеличение эффективности передачи энергии до уровня в 75%. В эксперименте с дирижаблем она составила только 40%, хотя на нем и использованы иные технологии, чем те, что предполагаются на спутнике.
Также в сто раз требуется сократить стоимость запуска ракет. Рассматриваются варианты использования многоразовых ракет. На встрече в Токийском Университете обсуждалось, как удаленный источник микроволн может питать ракету. Это позволило бы ракетам нести меньше топлива, больше антенн и солнечных батарей, что помогло бы в строительстве солнечных электростанций космического базирования.
Согласно японским оценкам для демонстрации технологии спутников-солнеч ных электростанций в земных условиях потребуется от 2 до 3 миллиардов йен, а для демонстрации в космосе от 10 до 50 миллиардов йен.
Национальный план космической деятельности призывает «всю Японию» в течении трех лет подготовиться к демонстрации солнечной электростанции космического базирования.
Как заявил Джона Мэнкинс (John Mankins), возглавлявший отдел солнечных космических энергоустановок в НАСА: «Япония очень хорошо сформулировала планы и намерена проложить путь в этой области, интерес же США к ней несколько угас». Большинство усилий в США в данном направлении идет со стороны частных компаний и некоммерческих организаций.

Дата добавления: 2015-08-18