Научная статья на тему 'КОСМИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ. КАК ПРЕОДОЛЕТЬ БАРЬЕР НЕДОВЕРИЯ?'

КОСМИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ. КАК ПРЕОДОЛЕТЬ БАРЬЕР НЕДОВЕРИЯ? Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
46
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОСМИЧЕСКАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ / ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Сысоев Валентин

Создание демонстрационной солнечной космической электростанции на основе имеющейся ракетно-космической техники с уровнем передаваемой мощности 10-100 кВт реально для сегодняшнего дня.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Сысоев Валентин

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «КОСМИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ. КАК ПРЕОДОЛЕТЬ БАРЬЕР НЕДОВЕРИЯ?»

космические солнечные электростанции, как преодолеть барьер недоверия?

Валентин Сысоев,

ФГУП «НПО имени С.А. Лавочкина», Россия sysoev@laspace.ru

Аннотация: Создание демонстрационной солнечной космической электростанции на основе имеющейся ракетно-космической техники с уровнем передаваемой мощности 10-100 кВт реально для сегодняшнего дня.

Ключевые слова: космическая солнечная электростанция, лазерное излучение

Научно-производственное объединение имени С. А. Лавочкина - одно из ведущих российских предприятий по разработке и изготовлению космических систем, головная организация отрасли по созданию и практическому использованию комплексов для фундаментальных научных (планетных и астрофизических) исследований, изучения Солнца, солнечно-земных связей. Более 50 лет НПО им. С. А. Лавочкина создаёт космические аппараты для решения комплексных и интересных научно-технических задач. Предприятие располагает современной проектно-конструкторской и испытательной базой. Сейчас ФГУП «НПО им. С. А. Ла-

вочкина» выполняет ряд работ, предусмотренных Федеральной космической программой и охватывающих практически все основные направления деятельности: создание автоматических космических аппаратов для планетных исследований (программы исследования Луны, Марса и Венеры), орбитальных астрофизических обсерваторий, спутников и спутниковых систем для дистанционного зондирования Земли, разгонных блоков - универсальных космических буксиров, а также ряда научных малоразмерных космических аппаратов.

В настоящее время большая часть энергии получается при переработке углеводородного сырья, что ведет к огромным выбросам С02, приводящим к ухудшению экологической ситуации на Земле. Прогноз расхода запасов разведанного ископаемого углеводородного топлива таков, что его хватит на недолгое время. Страшные последствия исчерпания запасов ископаемых видов топлива даже трудно предсказать.

Единственный путь решения надвигающихся проблем - это развитие и внедрение возобновляемых источников энергии во всех направлениях (от ветроэлектростанций до солнечных электростанций).

Развитие разработок альтернативных источников энергии показывает, что хорошие перспективы имеют две технологии, которые имеют высокую эффективность, экологическую чистоту и высокий уровень мощности - это термоядерная и солнечная энергетики (рис. 1).

Солнечная энергетика - одно из главных направлений развития альтернативной энергетики XXI века, так как оно использует природный термоядерный реактор - Солнце.

Солнце является основным источником всех видов получаемой на нашей планете энергии. Оно излучает ежесекундно 370х1012 ТДж энергии. Из этого количества на Землю попадает в энер-

.олнечная энергетика

Рис. 1. Наиболее перспективные виды будущей альтернативной энергетики.

гетическом эквиваленте только 1,2х105 ТВт, т.е. за год 38х1020 кВт^ч, или в 108 раз больше, чем сегодня потребляется в мире111.

В настоящее время успешно развиваются новые технологии в энергетике, базирующиеся на крупномасштабном использовании солнечной энергии. Ставка на солнечную энергетику должна рассматриваться как беспроигрышный и безальтернативный выбор для человечества.

При использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может удовлетворить растущие потребности в ней.

Солнечная энергетика и солнечные энергоустановки (СУ) начали активно развиваться с конца 60-х годов прошлого века - с запуском первых спутников и началом космической эры.

СУ предназначены для обеспечения потребителя энергией за счет приема и преобразования солнечного излучения. При этом по виду поставляемой потребителю энергии СУ можно подразделить на два следующих класса:

- Тепловые установки, т.е. СУ, предназначенные для выдачи потребителю тепловой энергии;

- Электрогенерирующие установки или солнечные электростанции, предназначенные для выдачи потребителю электричества. По диапазону рабочих температур они подразделяются на низкотемпературные (рабо-

чие температуры до 600 К), в них используют фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) и высокотемпературные (до 2500 К) с применением машинных и термоэмиссионных элек-трогенераторов[2-31.

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является одним из наиболее быстро развивающихся в мире направлением использования возобновляемых источников энергии. Объем производства энергии фотопреобразователями в последнее десятилетие увеличился в несколько раз и достиг в некоторых странах 2-3 место по объему производства электроэнергии.

При определении практической целесообразности использования солнечной энергии на Земле исходят из того, что максимальная плотность энергии солнечного излучения достигает 1 кВт/м2. Однако такая плотность имеет место в течение 1-2 часов в разгар летнего дня в экваториальных широтах. В большинстве районов планеты средняя плотность энергии солнечного излучения составляет 200-300 Вт/м2. Если кроме этого учесть влияние на плотность солнечного излучения времени суток и года, облачности, осадков и т.д., то можно прийти к выводу, что эффективная плотность солнечного излучения на

Рис. 2. Схема работы солнечной космической электростанции и первоначальные массо-габаритные параметры.

поверхности Земли в 6-12 раз ниже, чем на спутниковых орбитах.

Недостатки наземных солнечных электростанций:

- территории с серьезным энергетическим потенциалом расположены далеко от потребителей;

- зависимость от погодных условий - значительные (до 60-90%) потери энергии при прохождении солнечного излучения через атмосферу;

- значительные площади, занимаемые солнечными электростанциями большой мощности;

- невозможность использования в ночное и вечернее время.

- Во многом эти недостатки может преодолеть новое направление солнечной энергетики -электростанция космического базирования141.

- Идея получения электроэнергии с борта космических электростанций является яркой и привлекательной. Она лишена недостатков традиционных солнечных электростанций151:

- энергия доступна практически круглосуточно и не зависит от погодных условий;

- энергия может быть передана практически в любой район поверхности Земли, включая северные территории;

не расходуется ограниченные по размерам и ценные для технологических процессов будущего природные ресурсы Земли (уголь, газ, нефть и д.р.);

солнечная космическая электростанция (СКЭС) обеспечивает минимальные тепловые потери (КПД наземной ректенны может достигать 85-90%), что довольно существенно - проблема теплового загрязнения является одной из наиболее крупных глобальных проблем, возникающих перед человечеством; отсутствуют проблемы, связанные с выбросом СО2 и какими-либо иными выбросами, загрязняющими атмосферу; нет проблем, связанных с захоронением радиоактивных отходов и/или отработавшего ресурс радиоактивного оборудования; наземная приемная система может быть приподнята над поверхностью Земли, что позволит эффективно использовать расположенною под ней землю для сельскохозяйственных и промышленных целей; микроволновый или лазерный пучок СКЭС можно перебрасывать с одной приемной системы на другую, обеспечивая, тем самым, возможность оперативного переключения территориально удаленных потребителей.

Рис. 3. Оценочная диаграмма эффективности космической солнечной электростанции с лазерным каналом передачи энергии.

Концепция СКЭС (рис. 2) предполагает размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите (ГСО), а вырабатываемую ими энергию (5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли пучком СВЧ-излучения (или лазерного излучения) с низкой расходимостью, преобразовывать ее затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты, и раздавать потребителям. Такая схема позволяет использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на ГСО (=1,4 кВт/м2), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий.

За счет естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., космический аппарат (КА), расположенный на ГСО, освещен потоком солнечной

радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней осеннего и весеннего равноденствия, когда этот КА попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме не превышают 1% от общей продолжительности года.

По оценкам японских специалистов МН1[61 экономическая целесообразность (себестоимость кВт^ч, равная цене за кВт^ч энергии от атомных электростанций) может быть достигнута при следующих условиях:

- эксплуатация станции в течение 30 лет (окупаемость станции);

- резкое уменьшение веса электроники (фотопреобразователи, электронные микромодули и др.). Как показывает анализ развития электроники, имеется устойчивая тенденция

В ENERGY BULLETIN

увеличения удельной мощности Вт/г, и в ближайшие 10-20 лет эта величина может стать удовлетворительной для данной программы;

- необходимо достичь срока службы электроники более 30 лет. Оценки специалистов показывают, что такой срок службы станет приемлемым через 10-20 лет;

- уменьшение стоимости пусков, более чем вдвое, за счет создания новых ракет-носителей.

При достижении этих параметров МН1 планирует создать СКЭС к 2030 году при капиталовложении в 8 млрд. долларов.

При всей привлекательности СКЭС есть ряд серьезных физико-технических проблем, которые необходимо решить перед началом проектирования промышленных СКЭС:

- Для получения мощности для промышленного применения необходимо создавать в космосе конструкции фотопреобразователей очень больших площадей (1 ГВт ~106 м2). Такие конструкции планируется собирать из отдельных фрагментов, а это - большое количество пусков и использование высокотехнологичных роботов для сборки конструкций на ГСО.

- Создание высокоэффективного канала передачи энергии на наземные станции. Канал требует создания высокоточных систем наведения с субсекундной точностью.

- Высокий уровень собираемой и передаваемый энергии при достижении даже высокой эффективности преобразующей техники создает большие тепловые потоки на космическом сегменте СКЭС, и это приводит к необходимости создания сложных схем утилизации тепла.

- Общая эффективность всего наземно-кос-мического комплекса в первых вариантах проектов 1970 года такой СКЭС оценивается в 1-2%. В настоящее время развитие оптико-электронной элементной базы позволит достичь общего КПД СКЭС с лазерным каналом передачи энергии ~25-35%.

На рис. 3 показана тенденция развития эффективности СКЭС с лазерным каналом передачи до более 40 лет. Данная диаграмма показывает, что эффективность такой СКЭС позволяет начи-

нать работы по созданию экспериментальной космической электростанции на одном космическом аппарате.

Все эти технические проблемы и организационные трудности приводят к поиску новых концепций построения космических электростанций преодолевающих эти трудности, в котором принял участие и автор данной статьи. И новизна представленных вариантов концепций состоит:

- в использовании излучения волоконных лазеров в качестве канала передачи энергии (вследствие увеличения КПД лазеров в последние годы, выбор которых обуславливает уменьшение размеров приемных пунктов с километров до сотен или десятков метров, по отношению к ректеннам в случае микроволнового канала);

- модульное построение конструкции СКЭС из отдельных автономных КА, которые могут существовать в виде «роя» отдельных аппаратов или наоборот соединяться в единую конструкцию, это позволит создать унифицированный элемент (КА) и тем самым уменьшить стоимость строительства промышленной СКЭС, а ввод в эксплуатацию сразу. Увеличение мощности постепенным наращиванием количества КА.

Конечно, стоимость и сроки создания промышленной СКЭС, приводимые многими специалистами, очень «впечатляют» (от 20 млрд. долл. и более, и от 20 до 50 лет), что позволяет многим скептикам заявить о слишком далекой перспективе развития этого вида энергетики. Однако его нужно сравнить с другими направлениями «будущей» энергетики и в частности с термоядерным синтезом, где от первого предложения до настоящего времени прошло более 60 лет, потрачены миллиарды долларов, а эффект - нулевой. Главное - не найдено физико-техническое решение даже реализации термоядерного реактора с нулевым КПД, так что сроки предложения для СКЭС на этом фоне выглядят очень оптимистично, а также чётко видны физико-технические решения существующих проблем для их создания.

Однако, несмотря на все работы, проводимые развитыми странами по данной тематике (разработка новых концепций, создание новых высокоэффективных фото- и излучающих систем, проведение детальных наземных эксперимен-

1. экспериментальные станции

2. экспериментальные

и промышленные станции

3. Промышленные станции

солнце

О

а

Рис. 4. Идеология космической солнечной электростанции с автономными спутниками и лазерным каналом передачи энергии.

Демонстрационная электростанция

Рис. 5. Тенденция развития альтернативных видов масштабной энергетики.

Солнечное излучение

Лазерное излучение

р = 100 + 300 кВт

лазера

р ~1 МВт

аэростата

^ А = 1,4 цт \

\ / \ I

А = 1,5 цт

1.Получение энергии от двух источников -Солнца и лазера

2. Использование лазера для передачи информации

и измерений

А = 1,5 цт

ОшСЫЁЫО;

Машина для управления аэростатом

Солнечное и лазерное излучение Размещение приемной Размещение приемной

+отраженное инфракрасное электростанции на острове электростанции на плавучей излучение или стационарной морской

платформе

К потребителю

Рис. 6. Схема демонстрационной солнечной космической электростанции.

тов), барьер недоверия к данной технологии остается.

Вместе с тем последние достижения в области создания эффективных фотопреобразователей; электроники СВЧ, новых композитных материалов, а главное тенденции в развитии систем управления космических систем позволяют по-новому взглянуть на построение космической электростанции. Предлагается идеология построения солнечной космической электростанции, основанной на трех принципах (рис. 4):

- построение системы фотопреобразователей солнечной энергии и каналов передачи энергии из автономных информационно связанных спутников, управляемых по пилотному сигналу с Земли;

- использование лазерного излучения для передачи энергии со спутников на наземные фотомодули;

- размещение наземных фотомодулей на высотных привязных аэростатах.

Общий принцип такой электростанции показан на рис. 4а - использование автономных ин-

формационно связанных спутников, что позволяет создавать постепенно увеличивающиеся площадки фотопреобразователей за счет новых КА, которые с помощью лазерных каналов передают энергию на фотопреобразователи расположенные, к примеру, на привязных аэростатах, что позволит уйти от влияния турбулентности воздуха и аэрозольных компонентов. На рис. 4б показан выбор орбиты для последовательного создания СКЭС, 4.б.1, 4.б.2 - экспериментальные станции; 4.б.2, 4.б.3 - промышленные СКЭС, рис. 4в - внешний вид будущей промышленной космической электростанции.

Развитие термоядерных электростанций привело к необходимости создания демонстрационного реактора с непродолжительным циклом работы с нулевым КПД, что позволило бы решить технологические проблемы, сделать шаг к пилотной термоядерной электростанции. Такой шаг надо сделать и в разработке и создании солнечной космической электростанции (рис. 5).

Преодоление барьера скептического отношения к СКЭС может способствовать первая практическая реализация космическо-назем-

Го рн «Протон» (максимальной длины)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

радиатор охлаждения вторичного зеркала

лазерный прожектор ферма (гексапод)

ферма фиксации на этап выведения

Базовый модуль «навигатор»

фотоизлучающие панели

Рис. 7. Схема космической солнечной электростанции с вертикальной укладкой (а) и схема развёртывания фото панелей (б).

б

а

ной структуры научно-исследовательской космической станции в виде демонстрационной СКЭС (ДСКЭС)[71 на базе имеющейся ракетно-космической техники в виде одного космического аппарата.

Основные задачи такой ДСКЭС будут (Рис. 6):

- получение максимального количества электроэнергии от ФЭП и преобразование в лазерное излучение, мощностью более 10 кВт;

- высокоточное наведение лазерного канала передачи энергии на наземные фотопреобразователи, с точностью до угловой секунды.

Это позволит отработать схему преобразования и передачи энергии (программное и аппаратное обеспечение) на Землю.

Предполагается, что лазерный излучатель ДСКЭС будет, вероятнее всего, состоять из 5-20 волоконных лазеров (ВЛ), следовательно можно будет ввести в контур управления некоторых ВЛ дополнительно 2 функции:

- цифровую передачу данных со скоростью более 500 Мбит/с;

- лидарные измерения состава и структуры атмосферы.

Всё это позволит получить уникальную научную космическую станцию, которая впервые в мире начнет решать задачи по экспериментальному совершенствованию будущих космических электростанций.

Насколько это реально? Я считаю, что в России имеются все основы для развития данного проекта.

Конечно, ДСКЭС - весьма сложный технический объект, однако, следует отметить, что в структуре электростанции имеются уже разработанные и испытанные системы. Наравне с этим имеются прототипы, на основе которых, при помощи доработки, можно получить необходимые узлы. Но существует группа узлов и систем, которые необходимо разрабатывать. Рассмотрим, прежде всего, космический сегмент:

- Имеется ряд космических платформ с характеристиками, позволяющими на их базе создать ДСКЭС, например, КА «Навигатор».

- Для создания трансформируемой конструкции панелей солнечных модулей существует ряд апробированных конструкции разворачиваемых в космосе антенн, например КА «Радиоастрон», поэтому требуется только

В ENERGY BULLETIN

определенная доработка до необходимых параметров.

- Зеркальные системы для передачи мощных потоков лазерного излучения будут создаваться на базе оптических систем для передачи лазерных информационных каналов и систем наблюдения за Землёй.

- Создание лазерного канала передачи энергии к фотомодулю наземного и космического сегмента потребует НИОКР* по его созданию, но на сегодняшний день имеются работающие прототипы компонент: волоконные лазеры, фотопреобразователи, и др. элементы.

В рамках научно-исследовательских работ в ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина» (Роскосмос) проводят проектные работы по созданию демонстрационной солнечной космической электростанции на основе космической платформы предприятия («Навигатор»). В рамках этих работ создана компоновка (рис. 7) космического сегмента такой электростанции.

Далее обсудим наземный сегмент, который можно выполнить в виде морской платформы или аэростатной станции. Использование аэростата в качестве приемника лазерного излучения, позволит уже на этапе демонстрационного эксперимента получить также значительное количество энергии от солнечного излучения, одновременно с этим обеспечивая безопасность окружающей среды. Такой вариант реализации, и на данный момент, позволяет реализовать площадь фотопреобразователей - до 104 м2. Рассмотрим реализацию наземного сегмента, выполненного в виде аэростата:

- аэростатный носитель можно создать на базе имеющихся конструкций российской организации Авгур-АС;

- трос-кабель для удержания аэростата и передачи полученной энергии требует разработки, но на сегодняшний момент имеются прототипы и необходимые технические решения.

Сроки реализации данного проекта - 5-8 лет, затраты соответствуют средней стоимости научно-космического проекта.

Надо отметить, к сожалению, что в РФ на уровне основных организаций, определяющих

* Прим. ред.: Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы

инновационное развитие современной промышленности (Минобнауки, РАН, Минэнергетики, Минэкономразвития, Роскосмос и др.) не предусмотрено развитие данной отрасли энергетики, даже на уровне НИР, но звучат порой «бодрые» публичные обещания быстро реализовать данную технологию на промышленном уровне181, но эти заявления вызывают больше отрицательную, чем положительную, реакцию у широкого круга специалистов.

В это же время к дальнейшему развитию и практической реализации этой инновационной концепции развития солнечной энергетики помимо промышленно развитых стран, таких как Япония, США, ЕС, присоединились быстро развивающиеся страны - Китай, Индия, Бразилия и др., и только Россия отсутствует в этом списке.

Поэтому надеюсь, что данная статья послужит призывом развернуть работы в этом направлении.

Литература:

1. Мейтин М. «Фотовольтаика - материалы, технология, перспективы» // Электроника, 2000, №6, с. 40-46.

2. Ахмедов Р. Б., Баум И. В., Пожарнов В. А., Чахов-ский В. М. «Термоэнергетика. Солнечные электрические станции» // М.: ВИНИТИ, 1986, 120 с.

3. http//www.torresolenergy.com/torresol/gemaso-lar-plantien

4. Glaser Р.Е. «Power from the Sun: it's Future» // Science, 1968, vol. 62, Nov., pp. 857-886.

5. Ванке В. А., Лесков JI. В., Лукьянов А. В. «Космические энергосистемы» // М.: Машиностроение, 1997, 140 с.

6. Сысоев В. К., Пономаренко А. Д., Верлан А. А. «Мировые тенденции развития космических электростанций» // Альтернативный киловатт, 2011, № 5, с. 14-19.

7. Сысоев В. К., Пичхадзе К. М., Верлан А. А., Насы-ров А. Ф. «Анализ структуры демонстрационной космической электростанции» // Вестник ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина», 2012, № 3, с. 28-34.

8. Райкунов Г. Г., Мельников В. М., Чеботарев А. С., Гусевский В. М., Харлов Б. Н. «Проблемы создания космических солнечных электростанций мощностью 1-10 ГВт, транслирующих энергию на Землю» // Наука и технология в промышленности, 2011 № 3, с. 69-71.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.