CC BY
54Статья поступила в редакцию 09.10.09. Ред. рег. № 615 The article has entered in publishing office 09.10.09. Ed. reg. No. 615
УДК: 629.788.523.43
СОЛНЕЧНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ -ВОЗМОЖНОЕ РЕШЕНИЕ
В.К. Сысоев, Г.М. Полищук, К.М. Пичхадзе, И.М. Нестерин, Е.А. Арапов
ФГУП «НПО им.С.А. Лавочкина» 141400 г. Химки, Московская обл., ул. Ленинградская, д. 24 Тел./факс: (495) 575-87-53; e-mail: sysoev@laspace.ru
Заключение совета рецензентов: 20.10.09 Заключение совета экспертов: 25.10.09 Принято к публикации: 30.10.09
В представленной работе рассматривается построение солнечной космической электростанции, основанной на информационно связанных автономных космических аппаратах с трансформируемыми большеразмерными высокоэффективными, электрически независимыми фотоизлучающими панелями. Предлагается построение канала передачи энергии организовать на активных фазированных решетках, построенных из автономных спутников, в которых используются автономные фотоизлучающие панели в коротковолновой области СВЧ диапазона радиоволн с управлением по пилотному сигналу с ректенны. Предполагается ректенны размещать на высотных привязных аэростатах.
Ключевые слова: солнечная энергетика, фотопреобразователи, космические аппараты, микроволновое излучение.
SPACE SOLAR POWER STATION - FEASIBLE SOLUTION V.K. Sysoev, G.M. Polishchuk, K.M. Pichkhadze, I.M. Nesterin, E.A. Arapov
Lavochkin Association 24, Leningradskaya str., Khimki, Moscow region, 141400, Russia Tel./fax: +7 (495) 575-87-53; e-mail: sysoev@laspace.ru
Referred: 20.10.09 Expertise: 25.10.09 Accepted: 30.10.09
In presented work space solar power station building is considered, which is based on informationally connected autonomous spacecraft with flexible large-scale high-efficiency, electrically independent photoemissive panels. It is proposed to organize energy transfer channel creation based on active phased arrays, formed by means of autonomous satellites, in which autonomous photoemissive panels in short-wave area of SHF band radio-waves are used with control using pilot signal from rectennas. It is proposed to locate rectennas on high-rise fastened balloons.
Валентин Константинович Сысоев
Сведения об авторе: заместитель директора центра проектирования космических аппаратов, радиофизик, д-р техн. наук.
Основной круг научных интересов: лазерные технологии; космическое приборостроение. Публикации: 240.
Введение
Проблемы современной энергетики общеизвестны: ограниченность природных ресурсов, все возрастающие экологические проблемы. Поэтому все больше проявляется интерес к использованию солнечной энергии, в том числе и создание солнечных космических электростанций.
Наиболее революционные предложения по использованию солнечной энергии нашли свое решение в 70-80-е годы 20 века в концепции солнечной космической электростанции (СКЭС), предполагающей размещать солнечные фотопреобразователи на геостационарной орбите, а вырабатываемую энергию (на уровне 10 ГВт) передавать на поверхность Земли хорошо сфокусированным СВЧ пучком, как показано на
рис. 1, прием этой энергии можно производить с помощью большеразмерных ректенн [1-4].
Рассматривалось также создание космических электростанций на высоко эллиптических суточных орбитах [5] и на круговых низкоорбитальных экваториальных траекториях [2].
Данная концепция предполагала создание космического сооружения в тысячи метров и в сотни тонн сложнейших конструкций, и поэтому к ней был по-
терян интерес уже на идеологическом уровне. Однако прогресс в области технологии создания высокоэффективных солнечных фотопреобразователей привел к появлению в 90-е годы нескольких новых проектов, в том числе и демонстрационных космических солнечных электростанций [2]. Однако и их массогабаритные параметры также не позволяют надеяться на реализацию в ближайшее время [3, 4].
Рис. 1. Космическая солнечная электростанция - варианты орбиты и компоновочная схема Fig. 1. Space solar power station - orbit alternatives and lay-out diagram
Основой таких космических электростанций является использование солнечной энергии с плотностью мощности 1400 Вт/м2 для получения больших мощностей (до 10 ГВт) с помощью необходимых площадей фотопреобразователей с максимальным КПД.
Основные технические проблемы, делающие данную концепцию солнечной космической электростанции трудно выполнимой, следующие:
- первая - это необходимость большеразмерной конструкции фотобатарей сбора солнечной энергии. К примеру, для получения 10 ГВт электроэнергии с 10% эффективностью фотопреобразователей потребуется площадь порядка 10 км2;
- вторая проблема связана с передачей энергии с помощью СВЧ пучков на Землю. Она состоит в том, что использование диапазона 2,45 ГГц или 5,8 ГГц с расстоянием 40000 км приводит к необходимости создания космической передающей антенны (тре-
бующей высокоточного наведения) размерами более 1 км, а приемной ректенны - более 15 км. Такую антенну и ректенну со стабильными параметрами невозможно изготовить, а также обеспечить их надежное функционирование.
Как показывают технико-экономические оценки возможностей ракетно-космической техники, трудности доставки и сборки таких сложных трансформируемых километровых многотонных конструкций отодвигают возможность реализации таких работ в далекое будущее.
Анализ последних предложений [2, 3] по созданию демонстрационной низкоорбитальной космической электростанции, работающей по ограниченному району с продолжительностью не более нескольких минут, не вселяет особого оптимизма из-за больших ее массогабаритных параметров (более 300 тонн).
ш
53
Эффективность солнечных космических электростанций
Последние достижения в области фотопреобразователей, электроники СВЧ, новых композитных материалов, а также тенденции в развитии систем управления космических систем позволяют по-новому взглянуть на построение космической электростанции. Но прежде всего необходимо провести анализ эффективности такой электростанции, как показано на рис. 2. Из этого анализа видно, что последние достижения, особенно в области фотопреобразователей [6], позволяют рассматривать солнечные космические электростанции как предмет для проектирования.
Рис. 2. Диаграмма эффективности космической солнечной электростанции Fig. 2. Space solar power station efficiency diagram
Авторами предлагается идеология построения солнечной космической электростанции, основанной на следующих четырех принципах:
- создание автономных фотоизлучающих панелей, которые преобразуют непосредственно принятое солнечное излучение в СВЧ излучение и из которых формируется трансформируемая большеразмер-ная конструкция на отдельном спутнике;
- построение системы фотопреобразователей солнечной энергии и излучающей антенны СВЧ энергии из автономных информационно связанных спутников, управляемых по пилотному сигналу с Земли;
- использование коротковолнового СВЧ диапазона вплоть до миллиметровых радиоволн для передачи энергии со спутников на ректенну;
- размещение ректенны на высотных привязных аэростатах.
Использование такой технологии позволит отказаться от проектов построения многотонных километровых конструкций как фотопреобразователей, так и излучающих систем.
В настоящее время разрабатываются проекты двух-трех информационно связанных спутниковых систем для космических телескопов [7], поддерживающих расстояние между этими спутниками (100 м с точностью 1 мм), что позволяет в будущем на базе таких технологий создать систему автономных спутников с автономными фотоизлучающими панелями, связанными в одну своеобразную фазированную антенную решетку. Поле излучения такой антенной решетки управляется по пилотному сигналу, излучаемому из центра приемной ректенны и анализируемому на поверхности передающих систем автономных спутников сетью датчиков.
Автономные фотоизлучающие панели
Задача формирования фронта волн, сходящихся в месте расположения ректенны, решается с использованием принципа обратной передающей активной решетки. В каждом элементе такой решетки производится операция сопряжения фазы относительно фазы пилот-сигнала, исходящего из центра ректен-ны. Под сопряжением фазы подразумевается изменение знака фазы излучаемой волны по отношению к фазе волны, падающей на антенную решетку [8].
Механизм работы системы преобразования солнечной энергии в направленное микроволновое излучение поясняется с помощью рис. 3. Переизлучающая фазовая решетка (ФАР) состоит из электрически не связанных между собой совмещенных с солнечной батареей (СБ) модулей планарной конструкции (фотоизлучающей панели). Фазирование излучателей фотоизлучающих панелей и ФАР в целом осуществляется по фронту пилот-сигнала, излучаемого из центра ректенны. Солнечное излучение, преобразованное в постоянный электрический ток, и осуществляет питание усилителей мощности излучателей антенны.
Фазовое сопряжение направленного излучения с фронтом приходящего пилот-сигнала осуществляется с помощью следующих устройств:
- двухкоординатного интерферометра (4 микроволновых приемника) для измерения угла падения пилот-сигнала на плоскость фотоизлучающей панели;
- микропроцессора, вычисляющего по данным измерения угла падения пилот-сигнала распределение фаз (ут) излучателей, которое обеспечивает формирование плоской волны, распространяющейся в направлении, обратном приходу пилот-сигнала для каждой фотоизлучающей панели системы;
- усилителя и преобразователя частоты пилот-сигнала с сохранением фазы его поступления в фазовый центр модуля, совмещенного со специально установленным приемником или с одним из приемников интерферометра;
- оптико-волоконной системы управления фазой излучателей модуля, которая включает источник оптического излучения; волоконные электрооптические модуляторы, управляемые сигналом от преоб-
разователя частоты пилот-сигнала; набор оптических линий задержки, выполняющих функции дискретных электрически управляемых фазовращателей;
- демодуляторов оптического сигнала, обеспечивающих поступление на вход усилителей мощности (т) микроволновых излучателей модуля сигнала с заданной фазой ут.
Рис. 3. Схема работы автономных фотоизлучающих панелей Fig. 3. Autonomous photoemissive panels operation scheme
Такая система, выполненная с большим уровнем интеграции ее элементов, может иметь оптимальные габаритно-массовые показатели и позволит избежать ряда сложных проблем по электромагнитной совместимости.
При этом каждый автономный спутник будет сам являться элементом «решетки» большого антенного поля, формируемого из флотилии таких космических аппаратов.
Трансформируемые конструкции системы фотоизлучающих панелей
Важным элементом такой технологии является создание большеразмерной трансформируемой конструкции системы фотоизлучающих панелей, преобразующей солнечное излучение непосредственно в СВЧ энергию. Использование технологии автономных фотоизлучающих панелей для построения большеразмерной конструкции позволяет не выдвигать для нее требований высокой точности.
Современные возможности ракетно-космической техники позволяют создать в ближайшее время космические аппараты с фотоизлучающей панелью площадью до 500-1000 м2 [9, 10].
Такие конструкции относятся к разряду больше-размерных, которые ввиду ограниченных возможностей головных обтекателей существующих ракетоносителей должны выполняться в виде трансформируемых устройств.
Основой рассматриваемой трансформируемой конструкции является некоторый минимальный не-трансформируемый модуль, содержащий основные компоненты, т. е. фотоизлучающая панель.
Такую конструкцию модуля предполагается построить на основе углепластикового композиционного материала, а в качестве привода для трансформируемых элементов планируется использовать металл с памятью формы.
Конструкция автономного модуля должна иметь систему датчиков контроля состояния элементов конструкции, механизмов, электронной силовой и информационной аппаратуры, а также автоматическую систему перевода жизненно важных систем в щадящий режим в случае возникновения критических условий функционирования и обеспечивать необходимый тепловой режим элементов конструкций и электронных устройств в условиях воздействия факторов космического пространства.
В данном проекте для фотоизлучающей панели выбрана типичная для авиационных конструкций конструктивная схема, представляющая собой кессонную конструкцию с верхней и нижней обшивками.
Фотопреобразователи крепятся на верхнюю обшивку. На нижней обшивке устанавливаются микроволновые усилители мощности, микрополосковые волноводы и приемные устройства для пилот-сигнала, датчики контроля. Между обшивками располагаются электрические соединения, волоконно-оптические элементы, электронные сборки и система
управления. В качестве основного варианта принят шестигранный модуль фотоизлучающей панели.
Возможное расположение космической электростанции под обтекателем ракеты-носителя в собранном состоянии показано на рис. 4. Автономный спутник представляет собой шестигранную призму, состоящую из трех основных частей: спутниковой платформы (СП) и двух одинаковых пакетов шестигранных модулей, расположенных по обе стороны от корпуса СП. Корпус СП выполнен в виде шестигранника, в его нижней части размещен апогейный двигатель.
Рис. 4. Автономный спутник с фотоизлучающими панелями Fig. 4. Autonomous satellite with photoemissive panels
На рис. 4 представлен общий вид космической электростанции после первого этапа развертывания и в полностью развернутом состоянии. В пакете модулей каждая из них (за исключением крайних) имеет две петли с приводами.
Открытие модулей возможно только последовательно, согласно порядку, представленному на рис. 4. После раскрытия необходимо зафиксировать соседние панели между собой для придания жесткости конструкции и улучшения возможности управления космическим аппаратом. Описанная схема укладки обеспечивает наилучшее использование объема обтекателя.
Площадь панелей электростанции (более 500 м2), представленной на этих рисунках, соответствует возможности размещения в существующей модели обтекателя «Протон».
Выбор коротковолнового вплоть до миллиметрового диапазона радиоволн для передачи энергии со
спутников диктуется необходимостью формирования более узких пучков в космосе с минимальными размерами СВЧ усилителей, что, конечно, позволит создать приемную ректенну с размерами на порядок меньше, чем в проекте с сантиметровым диапазоном. Однако потребуется большой объем опытно-конструкторских работ по созданию миллиметровой СВЧ электроники и приемников на этот диапазон с высоким уровнем эффективности и мощности.
Проектируемое расположение ректенны на высотных привязных аэростатах будет конструктивно выгодно с точки зрения экологии и диктуется как необходимостью избежать поглощения миллиметровых радиоволн молекулярным кислородом, так и возможностью установки в любом районе, тем более что имеется технология решения в виде уже эксплуатируемых привязных высотных аэростанций [11].
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (78) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Космические солнечные электростанции из автономных космических аппаратов
Предлагаемая авторами космическая система для солнечной электростанции состоит из двух основных частей: космического и наземного сегментов (рис. 5).
Космический сегмент включает:
- систему из флотилии автономных информационно связанных спутников с большеразмерной конструкцией системы автономных фотоизлучающих панелей. При этом синхронизация работы как спутников, так и фотоизлучающих панелей осуществляется наземным пилот-радиосигналом;
- при этом каждый спутник имеет бортовую систему преобразования солнечной энергии в направленное микроволновое излучение, содержащую панели фотоэлектрических преобразователей, актив-
ную переизлучающую фазовую антенную решетку (АФАР), систему фазирования излучателей ФАР по фронту пилот-сигнала и спутниковую платформу с трехосной системой ориентации.
Наземный сегмент состоит из следующих систем:
- ректенны, размещенной на привязном дирижабле, предназначенной для приема микроволнового излучения и преобразования ее в электрическую энергию постоянного тока;
- передатчика пилот-сигнала, включающего антенну и устройство формирования и генерации пилот-сигнала;
- системы пилот-сигнала, обеспечивающего реализацию работы обратной передающей активной решетки;
- системы управления наземно-космическим комплексом в целом.
Солнце
Флотилия автономных космических аппаратов с фото излучающим и панелями
Пилот-сигнал для формирования фронта излучения ФАР
Рис. 5. Концепция космической солнечной электростанции на базе автономных космических аппаратов
с фотоизлучающими панелями Fig. 5. The concept of a space solar power station on the basis of autonomous spacecraft with photoemissive panels
¡Jl££
e m
57
Система управления космической электростанцией
Система управления космической энергосистемой во время полета космической электростанции должна обеспечить выполнение временной последовательности работы бортовых средств, которые преобразуют солнечную энергию в направленное микроволновое излучение, наземной ректенны и передатчика пилот-сигнала, а также контроль всей системы. Схема управления космической электростанцией показана на рис. 6.
Эффективность фотопреобразователей достигла более 60% [6], что позволяет надеяться, что к моменту начала опытно-конструкторских работ по солнечным космическим электростанциям будет налажено промышленное производство таких преобразователей.
Ключевыми проблемами, которые необходимо решить для реализации данной схемы космической электростанции, являются:
- разработка унифицированной конструкции автономных фотоизлучающих панелей, которые помимо фотопреобразования солнечной энергии одновременно излучают в СВЧ диапазоне. Разработка таких самоуправляемых полупроводниковых структур должна позволить эффективно осуществлять фотопреобразование и трансляцию энергии в СВЧ диапазоне в космических энергоустановках, исключив громоздкие традиционные преобразующие приборы и громоздкую кабельную сеть;
- разработка систем управления автоматических космических аппаратов, обеспечивающих построение единого антенного поля из фотоизлучающих панелей автономных спутников, позволяющих поддерживать точную геометрию взаиморасположения космических аппаратов.
Рис. 6. Схема управления космической солнечной электростанцией Fig. 6. Space solar power station control scheme
Работы по созданию синхронно работающих спутников с соблюдением межспутниковых расстояний до 1 мм уже начаты в ряде проектов ЕКА:ХЕЦ^; LISA; ряд оптических космических интерферометров. Данные разработки могут служить основой для создания фазированной антенной решетки из автономных спутников [7].
Заключение
Путь к созданию промышленных космических электростанций рассматривается нами как цепь последовательных шагов в развитии технологии и решении научно-технических проблем. К этим шагам можно отнести следующие (наиболее важные показаны на рис. 7):
Рис. 7. Схема этапов по созданию космической солнечной электростанции Fig. 7. Space solar power station creation phases scheme
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (78) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
- создание высокоэффективной фотоизлучающей панели;
- создание трансформируемой конструкции панелей из фотоизлучающих панелей;
- проведение аэростатных испытаний фотоизлу-чающей панели и ректенн;
- проведение демонстрационного космического эксперимента с использованием имеющихся ракет-носителей;
- разработка системы управления космической электростанции с использованием флотилии синхронно-управляемых спутников-электростанций.
Следует подчеркнуть особую значимость задачи создания фотоизлучающей панели, ее испытание в наземных условиях с помощью аэростатных средств. Эта работа при относительно небольших финансовых средствах позволит решить ряд основных задач в создании солнечной космической электростанции, к которым относятся: разработка оптимального варианта данной панели; отработка методов фазирования автономных модулей излучателей ФАР по фронту пилот-сигнала с целью увеличения эффективности канала передачи энергии; увеличение точности и расширение зоны электронного наведения микроволнового луча на пункт приема и преобразования электрической энергии; отработка перспективных вариантов приема и преобразования микроволновой энергии в постоянный ток и ток промышленный.
Испытания демонстрационной космической электростанции покажут широкой общественности реальные возможности использования космической солнечной энергетики.
Необходимо уже сейчас начать проектно-конст-рукторские и технологические работы в этом направлении, которые позволят России идти без отставания по сравнению с другими странами в решении энергетических проблем будущего.
Список литературы
1. Glaser P.E. Power from the Sun: its future // Science. 1968. Vol. 162. P. 867.
2. Нагомото М., Сосаки С., Наруа Й., Ванке В.А. Работы Института космических исследований Японии области космической энергетики // Успехи физических наук. 1994. Т. 164. С. 631.
3. Ванке В.А. СВЧ энергетика - перспективы в космической энергетике // Электроника. 2007. № 5. С. 98-102.
4. Mankins I.C. Technical overview of the suntower solar power satellite concept // Acta Astronautica. 2002. Vol. 50, No. 6. P. 369-377.
5. Трифонов Ю.М. СКС для России: система преобразования и передачи энергии // Энергия. 1993. № 6. C. 14-88.
6. Choy S.H., Elliott J., King G., Park Y., Kim J.V., Chu S.H., Song K.D. Power budget analysis for high altitude airships // Proc. SPIE. 2006. Vol. 6219. P. 213219.
7. XEUS-Physics off the Hot Evolving Universe Meeting. XEUS workshop held at ESTEC on 5-6 March 2008. P. 1-314.
8. Хансен Р.С. Сканирующие антенные системы СВЧ. М.: Советское радио, 1971. Т. 3. С. 464.
9. Сысоев В.К., Трифонов Ю.М., Андреев В.М., Пичхадзе К.М., Рыженко А.П., Долгополов В.П., Абросимов А.И., Нестерин И.Н. Проект демонстрационной космической солнечной электростанции // Наукоемкие технологии. 2004. Т. 5, № 2-3. С. 8-17.
10. Комко В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Формируемые центробежными силами космические солнечные батареи. М.: Черос, 2007. C. 188.
11. Бендин С.И. Аэростатные телекоммуникационные платформы // Информост-Радиоэлектроника и телекоммуникации. 2003. Т. 26, № 2. С. 40-47.
3
Ж
•и: -
59
