Способы преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию для нужд космического индустриального ожерелья «Орбита» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.31

Способы преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию для нужд космического индустриального ожерелья «Орбита»

ЮНИЦКИЙ А.Э., ЯНЧУК В.В. (г. Минск)

Рассмотрены приоритетные типы электростанций для энергообеспечения объектов на околоземной орбите. Описаны принципы, лежащие в основе преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Приведены характеристики работы опытных образцов станций, реализованных в лабораторных условиях.

Ключевые слова:

солнечное излучение, космическая электростанция,

преобразование энергии, космическое индустриальное ожерелье «Орбита»

(КИО «Орбита»].

о,

сновными видами энергии, которые потребуются для жизнеобеспечения космического индустриального ожерелья (КИО «Орбита») [1], будут электрическая, механическая, тепловая и световая. Солнечное излучение - это единственный первичный источник, энергию которого возможно преобразовать непосредственно на орбите во все полезные виды энергии.

Прямое или сконцентрированное солнечное излучение может быть превращено в тепловую энергию нагретых тел, а затем посредством прямой или машинной трансформации - в электрическую энергию. Температуры нагреваемых тел зависят от плотности падающего излучения и организации процессов теплопередачи, в том числе обратного теплового излучения с поверхности (рисунок 1).

Солнечное излучение

Фотопреобразователи

Солнечные источники теплоты

I

Электричество

I

Теплота

Прямые преобразователи

Машинные преобразователи

В настоящее время самый широко используемый в космической технике способ получения электроэнергии -прямое преобразование солнечной энергии в электрическую, основанное на фотоэлектрическом эффекте. Солнечная батарея (СБ) - несколько объединённых полупроводниковых устройств, переводящих солнечную энергию в постоянный электрический ток [2]. Фотоэлектрический элемент состоит из двух полупроводниковых пластин, изготовленных из кремния. Для придания им проводящих свойств на одну из них наносят бор (/7-область), а на другую - фосфор (р-область) (рисунок 2).

Повышение эффективности работы СБ возможно двумя основными путями: использование новых материалов и применение солнечных концентраторов (например, линзы Френеля). Концентраторы увеличивают плотность потока излучения, следовательно, позволяют уменьшить площадь солнечных батарей при эквивалентной выдаваемой мощности, тем самым способствуют сокращению затрат на солнечную станцию за счёт применения меньшего количества солнечных элементов.

Рисунок 1 - Схема путей преобразования солнечной энергии в электрическую

Солнечная энергия может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей. Максимальная плотность потока солнечного излучения вне земной атмосферы равна 1367 Вт/м2, а на Земле -примерно 1000 Вт/мг (на поверхности, перпендикулярной излучению), что обычно значительно ниже из-за неблагоприятных погодных условий (облачность, туман, смог) или экономической нецелесообразности сооружения систем слежения за Солнцем. Соответственно, эффективность любого варианта получения электроэнергии в космическом пространстве будет значительно выше.

Полупроводник п-типа

Солнечный свет

Полупроводник р-типа

Отрицательный

Положительный электрод

На регулировочное устройство

Электрический ток

Поперечное сечение солнечной батареи

Рисунок 2 - Принципиальная схема солнечной батареи

Объекты на околоземной орбите обращаются вокруг Земли примерно за 1,5 ч и периодически находятся в тени. Соответственно, требуется применение аккумуляторных батарей. На Международной космической станции (МКС) на каждую из панелей (площадью 105 мг) приходится шесть никель-водородных батарей. Срок службы таких батарей составляет примерно семь лет [3].

В настоящее время перспективными (по удельной мощности) являются солнечные батареи, изготовленные из галлий-арсенидных гетероструктур (GaAs), но они имеют более высокую удельную массу и большую удельную стоимость, чем панели на базе кремния (Si). Вместе с тем отсутствует достаточный объём их испытаний на «низких» орбитах (менее 500 км) при наличии заметной пылевой «атмосферы» вокруг станции и в условиях постоянного термоциклирования (16 циклов в сутки). Температура солнечной батареи в тени Земли снижается до -45...-60 °С. Причём при входе в тень Земли температура батареи падает за 2-3 мин на 70-90 °С. После выхода из тени при фронтальном освещении температура достаточно быстро

(за 1,5-2 мин) поднимается до 65-75 °С; при освещении с тыльной стороны температура СБ возрастает медленнее -за 10-15 мин до 40-45 °С [3]. В связи с этим на МКС и транспортных кораблях до настоящего времени используются фотоэлектрические панели на кремниевой основе.

Значительно более сложными по своей структуре являются электростанции с термодинамическими методами преобразования энергии. В состав солнечной тепловой электростанции входят три основные системы: источник теплоты, трансформация тепловой энергии в электрическую и отвод теплоты.

Организация отвода теплоты является важным вопросом в условиях космического пространства, потому что традиционные для земных условий способы не могут быть использованы. Единственный реализуемый механизм отвода теплоты - излучение. Установки, предназначенные для отвода теплоты в условиях космоса, получили название холодильников-излучателей.

Определяющее уравнение для радиационного тепло-переноса от тела имеет вид:

Ог=еАаТ\

где е - излучательная способность (степень черноты) поверхности тела;

А - площадь поверхности тела, участвующая в тепло-

переносе;

а - постоянная Стефана - Больцмана;

Т- абсолютная температура тела.

Из приведённого уравнения видно, что мощность теплового излучения холодильника прямо пропорционально зависит от площади излучателя, а с повышением температуры излучения количество отводимой теплоты растёт в четвёртой степени. Поэтому для сокращения размеров и массы холодильника-излучателя следует

поднимать температуру отвода теплоты. С другой стороны, при увеличении температуры отвода теплоты уменьшается коэффициент эффективности цикла станции, который определяется выражением:

П ~ С{Гтаж Т \/ Тпш.

Температура Тпш должна быть максимальной, однако она ограничена свойствами конструкционных материалов. Температура Тгп]п является минимальной температурой цикла и должна быть как можно ниже.

Таким образом, при проектировании космических энергоустановок необходимо решить задачу выбора минимальной температуры цикла. В данном отношении следует принимать во внимание массу холодильника-излучателя, которая составляет до 50-60 % массы системы. Размеры излучателя могут быть уменьшены за счёт увеличения максимальной температуры цикла, что приведёт к падению КПД преобразователя. Увеличение же максимальной температуры цикла возможно при применении редких и дорогостоящих материалов.

Вторая группа способов получения электрической энергии из солнечного излучения - косвенная трансформация с промежуточным получением тепловой энергии. По типу преобразователя тепловой энергии в электрическую все солнечные энергоустановки могут быть разделены на две группы: установки с прямым «безмашинным» превращением тепловой энергии в электрическую и установки с промежуточным преобразованием тепловой энергии в механическую (с машинными преобразователями). К термоэлектрическим явлениям относится группа физических явлений, обусловленных существованием взаимосвязи между тепловыми и электрическими процессами в проводниках электричества.

В замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), если места контактов (спаев) поддерживать при различных температурах (эффект Зеебека). ТЭДС зависит только от температур горячего и холодного спаев и природы материалов, составляющих термоэлемент. При наличии разности температур на концах проводника возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд. Возникшая разность потенциалов создаёт встречный поток электронов, равный первичному потоку, вызванному различием тепловых скоростей. Разность таких падений потенциалов в двух проводниках, образующих термоэлемент, и обуславливает возникновение ТЭДС.

Первый солнечный термоэлекгрогенератор для космических целей создан в США. В конструкции использовались

термоэлектрические элементы (ТЭЭЛ) объёмом 2,5 мм5, размещённые между двумя пластинами металлической фольги. На 1 мг их приходилось около 3000 шт. (рисунок 3). В космическом пространстве обращённая к Солнцу пластина нагревается до 300 °С, а холодная сторона имеет температуру порядка 70 °С. Каждый элемент в этой конструкции выдаёт 10 мВт с КПД - 2 %. 1 мг термоэлектрической панели модели весит 10 кг и выдаёт приблизительно 30-40 Вт/мг электроэнергии. Солнечный генератор для космического корабля поверхностью 30 смгс 12 рядами ТЭЭЛ (по 12 ТЭЭЛ в каждом ряду) характеризовался выдачей 2 Вт электроэнергии в космическом пространстве [4].

Поглощаемое тепло (горячая сторона)

Керамические пластины

Выделяемое тепло (холодная сторона)

Рисунок 3 - Устройство термоэлектрического преобразователя

Для увеличения градиента температур между горячими и холодными спаями возможно применение концентраторов солнечной энергии, которые позволяют увеличить температуру горячего спая до 1000 °С. Соответственно повышается КПД, который растёт пропорционально разности температур горячего и холодного спаев и абсолютной температуре горячего спая.

Масштабные испытания генераторных модулей проводились в земных условиях. По результатам построены зависимости мощности, напряжения и тока от разности температур между холодными и горячими спаями (рисунок 4) [5].

Термоэлектрический модуль с концентратором (рисунок 5) представляет собой термобатарею, установленную в фокусе сфероидального или цилиндрического зеркала.

В космических солнечных станциях могут использоваться три основных типа машинных преобразователей теплоты - газопоршневые, газотурбинные и паротурбинные, реализующие циклы Стирлинга, Брайтона и Ренкина.

/

р

и —'

—

лс°к

Рисунок 4 - График зависимости тока / (А), напряжения ¿/(В) и мощности Я [Вт] от разности температур между горячей и холодной сторонами генераторного модуля

В солнечных тепловых энергоустановках (СТЭУ) с машинными преобразователями тепловая энергия подводится к рабочему телу преобразователя, находящемуся в жидком или газообразном состоянии, и превращается в механическую энергию в паро- или газотурбинном преобразователе либо поршневой машине, после чего механическая энергия трансформируется в электрическую с помощью электрогенератора.

Двигатели Стирлинга являются машинами с возвратно-поступательным движением (возможны и многие другие схемы двигателей Стирлинга с вращательным движением).

Американской фирмой «Дженерал Моторс» также была создана космическая энергоустановка мощностью 3 кВт. В качестве рабочего тела для двигателя Стирлинга применялся гелий при среднем давлении 10,3 МПа, а нагрев осуществлялся посредством солнечного излучения, концентрировавшегося с помощью большой линзы Френеля. Отличительная особенность данного двигателя заключается в следующем: это первый из двигателей Стирлинга, использующий промежуточный жидкометаллический теплоноситель (ИаК) при температуре 677 °С для нагрева рабочего тела. Расчётный эффективный КПД двигателя равен 30,5 %. В процессе первых испытаний была достигнута мощность 2565 Вт при КПД 23 % [6].

В циклах газовых турбин космического назначения в качестве рабочих тел применяют инертные газы и их смеси. Положительной их стороной является отсутствие фазовых превращений и практически полное отсутствие эрозионного и коррозионного влияния рабочего тела на конструкцию преобразователя.

Цикл Брайтона имеет сравнительно низкий КПД, большие затраты мощности турбины на привод компрессора и значительные потери давления рабочего тела в элементах теплообменного оборудования преобразователя. В результате характерные значения коэффициента использования у газотурбинных преобразователей не превышают 0,25, и для получения высоких КПД преобразователя необходимо увеличивать перепад температур в цикле, главным образом за счёт возрастания температуры газа перед турбиной, т. е. в приёмнике излучения.

Изотермичность процессов подвода и отвода теплоты в паротурбинных преобразователях существенно поднимает термический КПД. Кроме того, в отличие от газовых турбин, имеются более низкие затраты на привод насоса, что в комплексе позволяет получить достаточно высокие значения коэффициента использования (-0,5), а следовательно, и эффективного КПД (20-25 %), возрастающего при увеличении мощности установки. Этими факторами и обусловлены основные, с точки зрения требований к тепловым преобразователям солнечной энергии, преимущества паротурбинных преобразователей перед преобразователями, работающими согласно циклам Брайтона и Стирлинга (рисунок 6).

Эффективность паротурбинных преобразователей в значительной степени зависит от свойств рабочего тела, в качестве которого могут применяться вода, жидкие металлы и органические соединения. Разработчики проектов тепловых солнечных космических станций пришли к выводу, что наиболее подходящими рабочими телами для паротурбинных преобразователей являются жидкие металлы. К числу самых оптимальных относятся калий и цезий, однако предпочтительным считается калий, ввиду его большей доступности в количествах, необходимых для станции.

2

Рисунок 5 - Термоэлектрический модуль на цилиндрическом концентраторе: 1 - горячие спаи; 2 - холодные спаи; 3 - концентратор

Эффективный КПД поршневых машин обычно выше. Особенно это характерно для малых мощностей, что связано с большими утечками в лопатках турбин малой мощности. При малых мощностях (до 1 МВт) двигатели Стирлинга предпочтительнее двигателей, работающих по циклу Ренкина, из-за простой конструкции, большего КПД и удельной мощности. Более того, для двигателей Стирлинга выбор давления и температуры можно производить независимо, что невозможно для систем с парообразным рабочим телом. В космических энергоустановках КПД является определяющим фактором. При высоком КПД имеются меньшие площади и масса холодильника-излучателя, так как от станции требуется отводить меньшее количество теплоты.

Возможно модульное исполнение станции, когда необходимая мощность составляется из определённого числа стандартных единиц (рисунок 7) [7].

В таблице приведены проектные параметры космических станций с машинными преобразователями тепловой энергии в электрическую [8].

Альтернативным вариантом рабочего органа тепловой электростанции может быть магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) - установка, в которой энергия рабочего тела, движущегося в магнитном поле, трансформируется непосредственно в электрическую энергию. Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции, т. е. в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, возникает ток. Проводником в МГД-генераторе является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают потоки носителей зарядов. В качестве рабочих тел применяют электролиты, жидкие металлы и ионизованные газы. Солнечная тепловая энергия используется для разгона и ионизации рабочего тела.

Для создания электропроводности газа его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10 ООО °К). Для работы при меньших температурах

Рисунок 6 - Принципиальные схемы солнечной газотурбинной и паротурбинной энергоустановок: 1 - концентратор; 2 - солнечный котёл; 3 - компрессор; 4 - турбина; 5 - электрогенератор; 6 - регенератор; 7 - холодильник-излучатель; 8 - насос

газ обогащают парами щелочных металлов, что позволяет снизить температуру смеси до 2200-2700 °К. Скорость движения плазмы в канале генератора после разгона при прохождении сопла составляет порядка 2000 м/с.

Таблица - Проектные параметры космических СТЭУ с машинными преобразователями тепловой энергии

Тип преобразователя

Рабочее тело

Выходная мощность, кВт

КПД,%

Масса, кг

Диаметр концентратора,м

Газопоршневой с двигателем Стирлинга

Газотурбинный

Паротурбинный

Паротурбинный

Гелий Гелий-ксенон Ртуть Рубидий

2-10 3 15

20

15-22,7 12 24

258

236 454

57

9,2 9,6 13,5

8750

Рисунок7 - Схема 16-модульной солнечной космической электростанции с газотурбинным преобразователем (размеры указаны в метрах): 1 - концентратор; 2 - антенна; 3 - силовые электрощиты; 4 - холодильник излучатель

По сравнению с паро- и газотурбинными циклами преимуществом системы с МГД-генератором является отсутствие вращающихся частей, что повышает надёжность работы станции. Кроме того, МГД-генераторы можно использовать на электростанциях с комбинированными схемами, т. е. горячий отработавший газ направлять на турбину. В таком случае общий максимальный электрический КПД станции составит 55-60 %.

Таким образом, существует много способов получения электроэнергии за счёт солнечного излучения в космическом пространстве. Все из них достаточно глубоко проработаны лишь теоретически и на макетах в лабораторных условиях. Исключение составляет фотоэлектрический способ получения электроэнергии, который в настоящее время применяется для энергоснабжения спутников и МКС.

Из описанных вариантов наиболее оптимальными по эффективности являются тепловые электростанции с машинными преобразователями. КПД таких станций достигает 36 %, а при прохождении комбинированных циклов, в том числе с интегрированным МГД-генератором, - 60 %

Рисунок7 - Магнитогидродинамический генератор

и выше (в то время как эффективность фотоэлектрических станций находится на уровне 14-20 %, а термоэлектрических - порядка 2 %). При сравнении значений удельной массы электростанций более привлекательны фотоэлектрические станции, для которых данный показатель равен 1,4-3 кг/кВт (для станций с машинными преобразователями - 30-78 кг/кВт, для термоэлектрических станций - сотни кг/кВт). Срок службы фотоэлектрических панелей составляет около 30 лет, а тепловых электростанций - не менее 40 лет.

Так как поступление солнечного излучения на орбите циклично (один цикл - 1,5 ч), очевидно, что график производства и потребления электроэнергии не будет совпадать. Для энергообеспечения КИО «Орбита» потребуются электростанции значительной мощности - порядка 10 МВт, а значит, и мощные аккумуляторы энергии. В настоящее время электрические аккумуляторы большой мощности и ёмкости являются малоэффективными и очень дорогостоящими из-за необходимости применения редких материалов. Тепловые аккумуляторы находятся на более высоком этапе развития и имеют намного более продолжительный срок службы. Они изучены, испытаны и эксплуатируются на всех земных паротурбинных солнечных электростанциях (обеспечивают круглосуточную работу станции, т. е. осуществляют выработку электроэнергии даже в ночное время). Соответственно, тепловые аккумуляторы большой мощности экономически предпочтительнее, чем электрические. Следовательно, обеспечить постоянную выдачу электрической мощности проще от электростанции с тепловым преобразованием.

В то же время тепловые электростанции более сложны по своей структуре, имеется дополнительно тепловое хозяйство (ввиду наличия промежуточного преобразования энергии) и вспомогательные системы. Значит, выше риск выхода оборудования из строя из-за наличия большего числа составных частей. Однако для КИО «Орбита» необходимость постоянного присутствия обслуживающего персонала не является ограничивающим фактором.

Электроды

Магниты Сопло

Перспективным направлением является также технология разложения воды солнечным излучением на водород и кислород любым известным способом с последующим прямым или косвенным «сжиганием» водорода и кислорода в любом из известных типов электростанций, например, газопоршневых или с использованием топливных элементов, в которых электрическая энергия преобразуется в электричество, минуя горение. В данном случае часть водорода и кислорода можно потреблять на орбите, часть - доставлять на поверхность Земли для эксплуатации в энергетике и транспорте.

Эти технологии являются экологически безопасными и на орбите (они могут применяться даже внутри космических поселений - ЭкоКосмоДомов), и на Земле, поскольку продуктом сгорания топлива в них является дистиллированная вода. Кроме того, цикличность солнечного освещения на орбите не отразится на работе подобных электростанций и не потребует накопителей энергии - тепловых или электрических, так как будут накапливаться топливо и окислитель.

При этом земная экология не будет нарушена - взятая с планеты вода на неё же и вернётся после прохождения энергетического цикла. С доставкой воды на орбиту в количестве миллионов тонн, а обратно - водорода и кислорода также не возникнет проблем при использовании в качестве геокосмической транспортной системы общепланетарного транспортного средства (ОТС) ввиду того, что его балластная система может быть заправлена только водой [1].

Принимая во внимание все перечисленные особенности и характеристики, для станций больших мощностей, которые потребуются для энергообеспечения промышленных и жилых центров в составе КИО «Орбита», целесообразно применять тепловые электростанции комбинированных циклов.

Литература

1. Юницкий, А.З. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 е.: ил.

2. Солнечная батарея/Журнал «Всё о Космосе» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://aboutspacejornal. net/2016/02/05/. - Дата доступа: 29.04.2019.

3. Зернов, А.С. Опыт эксплуатации солнечных батарей служебного модуля международной космической станции / А. С. Зернов, В. Д. Николаев // Космическая техника и технологии. - 2016. - № 1. - С. 29-38.

4. Поздняков, Б.С. Термоэлектрическая энергетика / Б. С. Поздняков, ЕА Коптелов. - М.: Атомиздат, 1974. - 264 с.

5. Шостаковский, П. Г. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания / П. Г. Шостаковский // Новые технологии. - 2010. - №2. - С. 131-138.

6. Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Г. Уокер; сокр. пер. с англ. Б. В. Сутугина, Н.В. Сутугина. - М.: Машиностроение, 1985. - 408 с.

1. Грилихес, В.А. Солнечные космические энергостанции / В.А. Грилихес. -Л.:Наука, 1986. - 182с.

8. Грилихес, В.А. Солнечная энергия и космические полёты/ В.А. Грилихес, ИИ Орлов, Л.Б Попов. - М.: Наука, 1984. -214 с.

© Юницкий А.Э, 2019 © Янчук В.В, 2019