CC BY
81Мельников В.М.
д.т.н., профессор, академик Российской академии космонавтики, Международной академии информатизации,
профессор РУДН
vitalymelnikov45@yandex.ru
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Ключевые слова: космические солнечные электростанции, лазерное излучение, центробежные крупногабаритные космические конструкции, экологическое воздействие на окружающую среду, привязные аэростаты.
Keywords: space solar power plants, laser radiation, centrifugal large-sized space structures, environmental impact, tethered balloons.
Введение
Главными проблемами современности являются стабилизация климата и замещение нефти природоохранными технологиями. Об этом говорил В.В. Путин в своем докладе на юбилейной 70 Ассамблее ООН. Космическая техника способна решить одновременно обе эти проблемы путем создания космических солнечных электростанций (КСЭС), транслирующих энергию на Землю. Развитие систем беспроводной передачи энергии способно кардинальным образом повлиять на определяющие стороны жизни всего человечества. Это энергообеспечение, энергетическая и экологическая безопасность, обороноспособность, информатизация. Возможно создание уникальной технологии в области космического электричества, которая обеспечит участие космической техники в решении важнейших социально-экономических задач1. КСЭС не только является альтернативой тепловым, атомным и гидроэлектростанциям, но и создает новые возможности для энергоснабжения удаленных и труднодоступных районов Земли при отсутствии необходимой кабельной сети (районы Крайнего Севера России, Центральной Сибири, Канады, Гренландии, Арктики и Антарктиды, горные районы, пустыни, места стихийных бедствий и катастроф и др.); для решения проблемы пиковых нагрузок; для зарубежных коммерческих поставок, решения оборонных задач, энергоснабжения Луны, Марса и других космических объектов и аппаратов; для решения проблемы астероидной и террористической (в электросетях) опасностей.
Потребление электроэнергии является основой развития цивилизации (машиностроения, транспорта, добывающих отраслей, бытовых нужд и проч.). По причине исчерпания углеводородных топлив в ближайшей перспективе встает проблема поиска новых природоохранных технологий, где наибольший интерес представляет использование энергии Солнца. Потребление электроэнергии от КСЭС является оптимальным по сравнению с тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями, поскольку транслирует экологически чистую без токсичной химии и радиации и дешевую энергию (в 6 раз дешевле ее выработки на Земле по японским оценкам) сразу в район ее потребления и не требует затрат, связанных с созданием протяженных линий электропередач.
После аварии сразу на 3 атомных реакторах в Японии (Фукусима, 2011г.) принята «Императорская» программа создания КСЭС к 2040 г., способная обесценить природные ресурсы (нефть, газ, уран) всех стран. Если не осуществить разработок КСЭС, направленных на поддержание паритета или возможного лидерства, имеется перспектива завоевания Японией мирового энергетического лидерства. В США активно проводятся работы по созданию КСЭС2. Интерес к проблеме проявляют Китай, Индия, Канада, Евросоюз, Израиль и ряд других стран. Китай 02.12. 2019 г. объявил о планах создания КСЭС к 2035 г.3, проводит работы по их созданию с 2008 г. Американский миллиардер Джефф Безос, состояние которого оценивается в 200 миллиардов долларов, 18.02.2020 объявил о создании фонда под названием Bezos Earth Fund с уставным капиталом 10 миллиардов долларов, деятельность которого будет направлена на стабилизацию климата. Дан старт гонке за «космическое электричество».
1 Грачев И.Д., Сигов А.С., Редько И.Я., Матюхин В.Ф., Мельников В.М. Распределенная энергетика и солнечные космические лазерные электростанции // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2016. - № 3. - С. 76-78; Glaser P.F. Power from the Sun: its future // Science, 1968. - Vol. 168, November. - P. 857-861.
2 Glaser P.F. Power from the Sun: its future // Science, 1968. - Vol. 168, November. - P. 857-861; Space-Based Solar Power as an Opportunity for Strategic Security. Phase of Architecture Feasibility Study: Report to the Director / National Security Space Office. 2007. -10 October; Mankins J., Kaya N. A report on the status of the IAA study group on solar energy from space. 2009. - October. -https://iafastro.directory/iac/browse/IAC-09/C3/1/
3 Китай обещает построить космическую солнечную электростанцию к 2035 году // ракетно-космическая техника. 2019. -№ 49. - С. 25-26; http://www.xinhuanet.com/english/2019-12/02/c_138599015.htm
1. Краткая история разработки проектов КСЭС
Работы в области создания КСЭС проводятся с начала космической эры. Первый инженерный проект КСЭС был разработан П. Глейзером в 1968 г. в США1. В проекте была показана целесообразность создания энергетического объекта в космосе на мощность порядка 10 ГВт (потребность среднего региона) и передачи электроэнергии на Землю в СВЧ диапазоне (рис. 1).
Рисунок 1. КСЭС П. Глейзера (США, 1968 г.)
Космическая электростанция Глейзера представляла собой платформу размером 5*13 км массой 12,3 тыс. т с фотопреобразователями из кристаллического кремния с КПД 13,7%, передающую энергию 5 ГВт с геостационарной орбиты на Землю СВЧ - лучом. К началу 70-х годов прошлого века техника не была готова к созданию столь проблемной конструкции, к тому же в то время еще не сформировалось острой социальной потребности общества в ее создании. Тем не менее, проект Глейзера инициировал во многих ведущих странах исследования и разработки, направленные на повышение эффективности и снижение стоимости КСЭС.
Совершенствование схемы КСЭС шло по пути увеличения концентрации излучения и значительного уменьшения каркасной рамы солнечной батареи, а также изменения компоновки с целью исключения из конструкции громоздких тоководов.
Рисунок 2(а). КСЭС по программе США (2007 г.)
10 октября 2007 г. США вышли с новой концепцией КСЭС (см. рис. 2(а)), представляющей собой 5 километровую конструкцию, в которой 2 группы параболических зеркал через поворотные зеркала концентрируют солнечное излучение на высокотемпературные фотопреобразователи диаметром 500 м из арсенида галлия с КПД 35%, конструк-
тивно объединенные с СВЧ - преобразователем и антенной, транслирующей СВЧ энергию на Землю1. Новая концепция КСЭС позволяла уменьшить площадь дорогих фотопреобразователей и исключить использование тяжелых многокилометровых кабельных тоководов. Вместе с тем, эта концепция не предлагала решений проблемы монтажа многокилометровых конструкций в космосе, вывода тысяч тонн грузов на геостационарную орбиту и создавала новые проблемы по обеспечению управления гигантскими концентраторами солнечного излучения с точностью их наведения на фотоэлектрическую «мишень» не хуже ±1,5°, а также точностью наведения СВЧ-луча на наземную антенну порядка 10-6 радиана и охлаждения мощных электронных СВЧ-преобразователей в безвоздушном пространстве. После нескольких лет проектной проработки специалисты НАСА посчитали этот проект технически нереализуемым. Более поздний проект КСЭС США 8Р8-Л1рИа (2012 г.), представленный на рис. 2 (б), мало отличается от предыдущего в проектно-конструкторском плане. Диаметр жесткой каркасной конструкции варьирует до 3 км.
Рисунок 2(б). Проект КСЭС США SPS-Alpha (2012 г.)
С. Сасаки и исследовательская группа из Японского космического агентства представили поэтапную программу создания коммерческой КСЭС2. Предложены три принципиальные схемы КСЭС для будущего коммерческого использования: базовая СВЧ схема, улучшенная СВЧ схема и лазерная схема. Базовая модель представляет собой генерирующую и излучающую панель, подвешенную на 4 тросах и находящуюся в гравитационной стабилизации (рис. 3). Эта схема исследовалась в USEF (Institute for Unmanned Space Experiment Free Flyer). Практическая конфигурация КСЭС состоит из большого числа единичных тросовых панелей, представляющих собой жесткую квадратную панель размером 100*95 м и толщиной 0,1 м, подвешенную за углы на 4 тросах длиной 5-10 км, исходящих из одного контейнера 010x15м. Вес единичной системы порядка 5 т, излучаемая мощность 2,2 МВт. Отработка технологии вывода такой системы на орбиту была уже проведена. Японская схема значительно эффективнее американской, поскольку использует гравитационную стабилизацию и многомодульное построение.
Г
Рисунок 3.
Базовый сегмент японской КСЭС размером 100х95 м и мощностью 2,2 МВт в гравитационной стабилизации
2. Экологический ущерб от тепловых, атомных, гидроэлектростанций и КСЭС
Перевод наземной энергетики с углеродосодержащих и ядерных топлив на космические солнечные батареи исключает первопричину техногенных воздействий на среду обитания:
- последствия использования органического топлива, сжигание которого оказывает вредное воздействие на биосферу (выбрасываются в атмосферу СО, СО2, окислы азота, серы, свинец, мышьяк, радиоактивные элементы, тяжелые металлы, забирается из атмосферы огромное количество кислорода воздуха в процессе сжигания, нагревается окружающая среда, сопутствующие горению экологически вредные вещества в виде сажи и пепла разносятся ветром на сотни километров, снижая плодородие почв, и оседая на лед и снег, изменяют их отражающую способность (изменяется Альбедо Земли, способствуя потеплению);
- последствия использования ядерного топлива, способствующего парниковому эффекту, ставящего проблему утилизации ядерных отходов и самих отработавших реакторов, а также проблему аварий, при которых катастрофические последствия наносят ущерб, многократно превышающий выгоды от эксплуатации атомных электростанций (АЭС), проблему неконтролируемой выработки плутония как стратегического материала для ядерного оружия;
- последствия использования гидроэлектростанций, связанных с затоплением больших сельскохозяйственных площадей, селений, уроном для рыбного хозяйства.
Если проблема управляемого термоядерного синтеза найдет решение, следует помнить, что в конечном счете термоядерный реактор, как и атомный реактор, работает по обычному тепловому циклу, как широко распространенные тепловые станции, сжигающие продукты переработки нефти, и из-за низкого теплового КПД (20%) интенсивно нагревающие окружающую среду. Общее энергопотребление всего человечества ориентировочно составляет 2 ТВт, следовательно, 8ТВт уходит на нагрев атмосферы.
В КСЭС по традиционной схеме электроэнергия вырабатывается в космосе от солнечных батарей (СБ) с КПД до 40-0%. В непосредственной близости от СБ электроэнергия на твердотельных лазерах преобразуется в лазерный луч с КПД до 80%. Сопровождающие эти процессы потери остаются в космосе и на наземную среду не влияют. Возможна схема преобразования на волоконных лазерах с солнечной накачкой, где даже нет СБ. Критичными являются потери на приемных СБ с КПД 40-60% и потери в нижних слоях атмосферы в канале с диаметром 40-50 м, что требует создания лазеров, работающих в окнах прозрачности атмосферы, например, на длинах волн 1,3; 3,8 или 9 мкм. В целом из приведенного сравнения традиционных средств энергетики и лазерных КСЭС следует превосходство КСЭС из-за локальности воздействия (площадка диаметром 40-50 м), низкой стоимости вырабатываемой энергии (в 6 раз дешевле ее выработки на Земле по японским оценкам) и отсутствия химической токсичности и радиации, а также интенсивного нагрева окружающей среды, что приведет при повсеместном использовании КСЭС к стабилизации климата и замещению нефти.
3. Новые концепции и подходы к созданию космических энергосистем
За последние годы появились новые концепции и подходы к созданию космических энергосистем, отсутствовавшие еще 8-10 лет назад, базирующиеся на новейших научно-технических достижениях в физике и технологии лазеров и создании бескаркасных центробежных космических конструкций, к которым все в возрастающей мере привлекается внимание мировой научно-технической общественности и которые могут гарантировать при создании космических солнечных энергосистем значительное снижение финансовых затрат и времени на их реализацию по сравнению с альтернативными проектами прошлых лет. За последние 10 лет произошло кардинальное изменение следующих базовых концепций создания КСЭС:
- СВЧ диапазон генерирования и передачи энергии начинает уступать место лазерному (ИК), соответственно меняются системы наведения и управления энергетического луча и космического аппарата в целом;
- концепция одной крупномасштабной (1-10 ГВт) станции меняется на большое количество малых информационно-связанных и сверхточно управляемых космических аппаратов;
- место каркасных крупногабаритных конструкций стремятся занять бескаркасные центробежные.
Лазеры имеют на 5 порядков меньшую расходимость луча по сравнению с СВЧ излучением. Это значит, что с геостационарной орбиты на Землю диаметр пятна от лазера на длине волны 1 мкм составит 36 м, а в СВЧ диапазоне на оптимальной длине волны 2,5 см диаметр пятна составит 15-20 км. Массовые характеристики на КСЭС с бескаркасными центробежными пленочными солнечными батареями и полупроводниковыми и волоконными лазерами могут быть уменьшены более чем в 10 раз по сравнению с КСЭС с каркасными солнечными батареями и СВЧ системами.
Следует отметить, что эффективность (массогабаритные характеристики, радиационная стойкость и проч.) и КПД элементов КСЭС непрерывно повышаются, как элементная база в электронике, и могут гарантировать значительное совершенствование КСЭС в перспективе1.
4. Российские предложения
Для успешной конкуренции с США и Японией необходимы принципиально новые решения, отличные от тех, на которых базируются конкуренты, где Россия имеет существенный научно-технический задел. Такими решениями являются использование космических крупногабаритных бескаркасных формируемых центробежными силами конструкций и волоконных световодов и лазеров, по которым Россия имеет 85% мирового производства, освоенного в
1 Мельников В.М., Бруевич В.В., Паращук Д.Ю., Харлов Б.Н. Волоконные лазеры с солнечной накачкой, формируемые центробежными силами как новое направление в создании космических информационно-энергетических систем // Космонавтика и ракетостроение. 2014. - № 6. - С. 104-112; Райкунов Г.Г., Комков В.А., Сысоев В.К., Мельников В.М. Космические солнечные электростанции - проблемы и перспективы. - М: РУДН, 2017. - 283 с.
12 странах российским предпринимателем В.П. Гапонцевым (НТО «ИРЭ-Полюс»), личное состояние которого составляет $1,3 млрд., готового поддержать разработку при условии государственного интереса. Исследования возможности создания и использования крупногабаритных космических конструкций проводились в СССР с начала 80-х годов в рамках тем Министерства общего машиностроения. Исследовались каркасные, электростатические, надувные, отверждаемые и центробежные конструкции. Наиболее перспективными были признаны центробежные конструкции, отличающиеся от аналогов рядом существенных преимуществ, таких, как простота конструкции и ее низкая стоимость, возможность укладки в малый объем при транспортировки на орбиту и автоматизированное раскрытие при малых энергозатратах, возможность переориентации в пространстве на гироскопическом принципе и проч. В рамках темы «Знамя» был запланирован и осуществлен 04.02.1993 г. уникальный космический эксперимент на транспортно-грузовом корабле (ТГК) «Прогресс» вблизи с орбитальной станцией (ОС) «Мир» (рис. 4). Центробежная конструкция из пленки майлар была диаметром 20 м и весила 4 кг. Подготовка эксперимента длилась 6 лет и сопровождалась комплексом исследований по математическому моделированию процессов раскрытия конструкции из уложенного состояния и переориентации в пространстве. Также в наземных экспериментах в масштабных вакуумных камерах РКК «Энергия» и ЦНИИМАШ на пленочных вращающихся полотнищах отрабатывались различные этапы раскрытия и переориентации для подтверждения закладываемых в космический проект решений.
В космическом эксперименте (КЭ), носившем название «Знамя 2» было осуществлено раскрытие конструкции из уложенного состояния и переориентация раскрытой конструкции в пространстве с демпфированием возникающих при этом колебаний. Эксперимент был осуществлен по запланированной программе без нештатных ситуаций и полностью подтвердил заложенные в него концепции и перспективность направления в целом. Созданный в процессе подготовки и проведения эксперимента научно-технический задел может служить базой для создания КСЭС. Результаты работ изложены в книгах1. В период 2003-2006 гг. был выполнен проект 2620 МНТЦ, профинансированный правительством США и направленный на разработку центробежных пленочных солнечных батарей. Результаты работ 2
изложены в книгах .
Ш \££ >
Р&чКЁ А.-'?»"' А
шшшУ
а) б)
Рисунок 4.
Космический эксперимент «Знамя 2», съемка с борта ОС «Мир»: а) центробежная конструкция на ТГК «Прогресс» в полете над океаном; б) фото отражателя на фоне космического пространства
В 2017 г. вышла книга о перспективах создания КСЭС на базе предыдущего проектно-конструкторского опыта разработок центробежных и каркасных конструкций с привлечением специалистов по волоконной оптике и волокон-
„3
ным лазерам, в том числе с солнечной накачкой .
5. Прием потока энергии от КСЭС
Прием энергии от КСЭС привязными аэростатами выше облачности рассматривается для исключения потерь на непрозрачность атмосферы (рис. 5). Имеется ряд сложностей использования привязных аэростатов для приема лазерного излучения выше облачности.
1. Изготовление аэростатов дорого и требует масштабных помещений и специального оборудования.
2. Хранение и эксплуатация требуют огромных ангаров и высококвалифицированного обслуживающего персонала.
3. Проблемы с ведомственной принадлежностью (Минобороны, Аэрофлот).
Melnikov V.M., Koshelev V.A. Large Space Structures Formed by Centrifugal Forces. - Amsterdam, 1998. - 157 p.; Райку-нов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 447 с.
Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 447 с.; Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н.. Формируемые центробежными силами солнечные батареи. - М.: Черос. 2007. - 188 с.
3
4. Нет опыта эксплуатации в последние 80 лет, что приводит к серьезным авариям.
5. Трос создает опасность самолетам, вертолетам и птицам.
6. Имеют место горизонтальные колебания аэростата в потоке воздуха (как флаг на ветре), что осложняет наведение лазерного луча из космоса.
7. Террористическая опасность. Привязной трос (что проще) и сам аэростат могут быть уничтожены "Дроном" или простейшим ракетным комплексом.
8. Фирма Вестингауз для сотовой связи над Европой отказалась от использования аэростатов в основном из-за террористической опасности.
В возникшей ситуации целесообразно отказаться от использования привязных аэростатов и осуществить прямую трансляцию и прием энергии на Земле, создав для этого лазеры, работающие в окнах прозрачности атмосферы.
Рисунок 5.
Прием лазерного луча привязным аэростатом
Чтобы не создавать отрасль аэростатостроения для приема лазерного луча выше облачности, что не эффективно по ряду вышеприведенных соображений, проще разработать полупроводниковый лазер в диапазоне, например, 1,3 мкм (рис. 6) окна прозрачности атмосферы (также 3,8 и 9 мкм) на первом этапе создания КСЭС на базе тонкопленочных солнечных батарей и запитываемых ими полупроводниковых лазеров, пока не созданы волоконные лазеры с солнечной накачкой, и в перспективе на втором этапе создать волоконный лазер с солнечной накачкой на той же длине волны.
Рисунок 6.
Спектр оптического пропускания атмосферы, спектральные характеристики ФЭП
и линии излучения лазеров
Из рис. 6 видно, что при смещении линии излучения высокоэффективных волоконных лазеров в 1,3 мкм происходит попадание в зону прозрачности атмосферы, что указывает на путь повышения эффективности лазерного способа передачи энергии.
При расположении КСЭС на наиболее привлекательной геостационарной орбите (рис. 7), при использовании СВЧ диапазона длин волн большой размер диаметра приемной антенны (15-20 км) практически исключает возможность приема потока энергии в высокоширотных районах Земли. Энергетический луч от КСЭС близок в этом случае к параллели к поверхности Земли. Создание стены высотой 20 километров или привязного аэростата аналогичного размера не реально. В лазерной концепции проблема высокоширотного приема энергии может быть решена путем создания требуемой по площади приемной системы на стене высотного сооружения (стена дома в 15 этажей), что не составляет сложностей для сегодняшнего строительства.
Рисунок 7.
Энергоснабжение высокоширотных регионов с геостационарной орбиты от КСЭС
Принципиально возможно использование полярных орбит. При этом необходимо создание системы космических станций, попеременно проходящих в перигее полярной орбиты над снабжаемым электроэнергией регионом. В этом случае высота перигея может быть значительно ниже геостационарный орбиты и луч диаметром 10-15 м на поверхности Земли будет «светить» с орбиты в направлении, близком к перпендикуляру к поверхности Земли1.
6. Сравнение экологической безопасности КСЭС с лазерной (ИК) и СВЧ концепциями передачи энергии
Помимо приводимых выше факторов отрицательного влияния на окружающую среду средств традиционной энергетики необходимо выявить особенности использования для КСЭС различных концепций передачи энергии на Землю - лазерной (ИК) и СВЧ.
Экологическая опасность КСЭС с лазерной (ИК) концепцией передачи энергии значительно меньше по сравнению с СВЧ-способом и связана со следующими обстоятельствами:
- меньшим биологическим воздействием, поскольку СВЧ-луч проходит, аналогично радиосигналу, через биологическую структуру и оказывает на нее объемное воздействие, в то время как ИК-луч, аналогично световому диапазону длин волн, оказывает только поверхностное воздействие, которое можно эффективно экранировать;
-локальность приема и воздействия энергии, на несколько порядков меньшая площадь приема;
- принципиальная возможность расфокусировки лазерного луча до любого требуемого уровня при невозможности точного наведения на приемную ректенну и других нештатных режимах.
Генерируемый на геостационарной орбите лазерный луч на пути к Земле может потенциально оказывать влияние на научную, коммерческую или военную аппаратуру находящихся на более низких орбитах космических аппаратов, самолетов и иные воздушные летательные аппараты (например, неуправляемые метеорологические зонды), а также птиц. Высокая относительная скорость пролета космического аппарата через лазерный луч не может привести к ощутимому перегреву конструкции в целом, однако не исключены эффекты вывода из строя (засветки) чувствительных элементов датчиковой или иной аппаратуры при прямом попадании лазерного света ИК-диапазона, что должно учитываться при проектировании таких аппаратов. Для самолетов необходимы карты запретных районов и строгие правила их соблюдения. Для птиц (гусиных стай, уток, чаек и прочих пернатых) в перспективе возможны мероприятия, аналогичные рыбоотводам в водозаборных сооружениях, основанные на различных физико-биологических принципах (отпугивающее инфразвуковое воздействие, бликующее световое воздействие и проч.), что потребует специальных исследований и разработок.
КПД передачи энергии от КСЭС
Как правило, на Земле мы сталкиваемся с ограниченной мощностью источников энергии, что связано с достаточно высокой стоимостью исходного топлива и спецификой производства и потребления энергии. Высокий КПД энергетических устройств уменьшает исходные затраты. В случае КСЭС имеется бесконечный источник энергии (Солнце) и понятие КПД для системы с таким бесконечным источником имеет определенную специфику. При комплексном анализе КПД выступает в виде параметра системы, аналогичного другим возможным параметрам. Например, для аморфнокремниевой солнечной батареи в космических условиях низкий КПД может отойти на второй план при условии радиационной стойкости, низкой стоимости, низких массовых характеристик. За счет бесконечности солнечного источника может быть обеспечена любая мощность, хотя и при низком КПД. Рассмотрим наиболее приемлемую на сегодняшний день схему преобразования для лазерной КСЭС - когда солнечные батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую, далее электрическая энергия на твердотельных полупроводниковых лазерах преобразуется в энергию лазерного излучения, подсоединяется к световодам, и далее по световодам идет к оптической системе и транслируется на наземный приемник в виде солнечных батарей. Эту схему примем как базовую. Вариантами может быть схема с подсоединением твердотельного лазера к волоконному лазеру и схема аэростатного приема с различными циклами преобразования (в лазерное излучение, в СВЧ, обычный токовод). Для базовой схемы КПД различных этапов преобразования приведен на рис. 81.
Рисунок 8.
КПД лазерного тракта КСЭС (слева 1980 г., справа 2010 г.)
Схема с солнечной накачкой волоконного лазера представляет наибольший интерес, поскольку не требует солнечных батарей. Однако на сегодняшний день в достаточной для использования в КСЭС мере такие лазеры не разработаны. Необходимо определить характер и величины влияния лазерного тракта на экологию окружающей среды и провести сравнение с ядерными и тепловыми электростанциями, которые непосредственно нагревают окружающую среду с дополнительной опасностью ядерного или химического заражения. Следуя рис. 7 первые 3 позиции остаются в космосе. Это фотопреобразователи солнечных батарей, вторичные преобразователи и преобразование электроэнергии в лазерное излучение, транспортирование световой энергии по световодам или волоконному лазеру, потери в оптической системе наведения на Землю. Эти потери на земной баланс потерь и экологию окружающей среды не влияют. На них оказывают влияние последние 3 позиции: наземные фотопреобразователи, воспринимающие лазерный луч; инверторы, преобразующие постоянный ток и напряжение от солнечных батарей в параметры силовой сети потребителя по частоте, фазе и напряжению. Сюда должны входить потери лазерного луча при прохождении атмосферы. Современные силовые инверторы имеют КПД более 90%. В целом из приведенного сравнения традиционных средств энергетики и лазерных, а также СВЧ КСЭС следует превосходство лазерных КСЭС.
9. Конструктивный облик КСЭС
Выбор рационального проектно-конструкторского облика энергоустановок большого масштаба является важнейшим этапом обеспечения их эксплуатационной надежности. На рис. 9 приведена принципиальная схема компоновки центробежной КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой. Принципиальным преимуществом этой схемы является отсутствие солнечных батарей, и, следовательно, цикла преобразования солнечной энергии в электрическую на солнечных батареях и цикла преобразования этой электрической энергии в лазерную на твердотельных ла-
зерах. Солнечная накачка сразу запитывает лазер. При этом не только исключаются два цикла преобразования с сопутствующими потерями, но сильно упрощается конструкция и более чем в 10 раз снижаются ее массовые характеристики. В работе1 указаны пути создания эффективных волоконных лазеров с солнечной накачкой. Вырисовываются направления совершенствования КСЭС в перспективе. Это повышение эффективности солнечной накачки лазеров (создание микролинз на поверхности волоконного лазера, снижение порога генерации и смещение длины волны в окно прозрачности атмосферы 1,4 мкм) и подавление колебаний платформы с вращающимися конструкциями.
Рисунок 9.
Схема СЭУ с волоконными лазерами с солнечной накачкой: 1-волоконный лазер; 2- штанга, раскрываемая из чечевицеобразного профиля; 3- приборный контейнер, 4- центробежная солнечная батарея для собственных нужд, играющая роль маховика противовращения, 5- лазерный луч
К сожалению, из-за отсутствия целенаправленного финансирования разработок по волоконным лазерам с солнечной накачкой в России, указанная на рис. 9 наиболее интересная схема не может быть реализована из-за отсутствия таких лазеров с достаточной эффективностью. Разработка таких лазеров ведется последние десятилетия в Турине (Италия)2. В сложившейся ситуации может быть использована схема с пленочными солнечными батареями, запиты-вающими твердотельные лазеры по поверхности батареи и соединенными с световодами или волоконными лазерами, сводящими лазерную энергию к центру системы и оптикой направляющие ее к наземному потребителю. Для такой схемы нет принципиальных ограничений по элементной базе.
10. Наземная инфраструктура КСЭС
Концентраторные солнечные батареи (СБ) отличаются от обычных тем, что солнечная энергия в них воспринимается не непосредственно дорогостоящими (например, ваЛБ) ФЭП, а линзой Френеля, в фокус которой помещается ФЭП. При этом площадь ФЭП снижается в степень концентрации линзы и может составлять 10-100 и даже 1000 раз, соответственно снижая стоимость системы. Попытки использования таких СБ на космических аппаратах (КА) столкнулись с невозможностью современных систем ориентации КА поддерживать фокус линзы на ФЭП с необходимой точностью. Однако для использования в наземной инфраструктуре КСЭС для восприятия инфракрасного квазимонохроматического лазерного пучка с геостационарной орбиты, концентраторные СБ могут оказаться оптимальными. Положение упрощается ввиду нахождения КСЭС на геостационарной орбите, когда объект находится над определенной точкой на Земле постоянно. Работа ФТИ им. А.Ф.Иоффе3 была специально посвящена исследованию особенностей восприятия различными ФЭП именно квазимонохроматического лазерного излучения в отличии от солнечного спектра. Показано, что КПД ФЭП при лазерном излучении на 15-20% выше, чем при солнечном. Поскольку КПД лучших ФЭП практически не превышает 40%, то непреобразованная энергия должна отводиться специально организованным охлаждением, например водяным, на поверхности Земли (рис. 10).
11. Наведение лазерного луча на наземный сегмент КСЭС
Прямое солнечное излучение и квазимонохромотическое лазерное излучение от КСЭС преобразуются на наземных ФЭП в постоянный ток (рис. 10). По этой причине требуются инверторные системы, преобразующие постоянный ток в переменный и синхронизующие его по напряжению, частоте и фазе с промышленной сетью переменного тока для питания потребителей. Актуальным вопросом является повышение коэффициента мощности и КПД статического преобразователя солнечной фотоэлектрической установки при условии передачи энергии в магистральную сеть.
1 Райкунов Г.Г., Комков В.А., Сысоев В.К., Мельников В.М. Космические солнечные электростанции - проблемы и перспективы. - М: РУДН, 2017. - 283 с.
2 Boetti N. et al. Solar pumping of solid state laser for space mission: a novel approach. - https://doi.org/10.1117/12.2309203
3 Андреев В.М. Высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи лазерного и концентрированного солнечного излучения // Альтернативный киловатт. 2012. - № 6. - С. 14-20.
1.
Рисунок 10.
Наземный сегмент КСЭС
Наиболее интересным вариантом наведения лазерного луча является такое, когда высокоточное наведение будет решаться путем использования систем обратной связи, базирующихся на использовании одномодовых волоконных лазеров и систем нелинейной оптики, которые позволяют высокоточно удерживать лазерный пучок на приемной площадке. Инструментально эта система содержит помимо традиционных систем следующие компоненты - сигнальный лазер на борту космического сегмента КСЭС и уголковый отражатель на наземном фотомодуле. Отраженное сигнальное излучение поступает в комплекс волоконно-оптических усилителей и после усиления и обращения волнового фронта через адаптивную зеркальную систему попадает на наземные фотомодули, т.е. имеет место система самонаведения на «бликующий» отклик.
12. Космические эксперименты
На рис. 11 приведен вариант компоновки для демонстрационного эксперимента на ТГК «Прогресс» с волоконными лазерами с солнечной накачкой. Целями космического эксперимента на ТГК «Прогресс» являются: создание научно-технического и технологического заделов в области систем беспроводной передачи энергии для космической солнечной энергетики.
Решаемые задачи: разработка, изготовление, наземная отработка и вывод в космос прототипа КСЭС на базе бескаркасных центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой (если такие лазеры к моменту подготовки эксперимента будут созданы. Если нет, то по схеме с солнечной батареей и современной элементной базы радиоэлектроники и лазерной техники; трансляция лазерного сигнала из космоса на наземную приемную антенну. Ожидаемые результаты: развитие уникального российского опыта в создании бескаркасных центробежных крупногабаритных конструкций для снижения стоимости КСЭС, удобства наземной и орбитальной отработки, возможности управления в пространстве на гироскопическом принципе без затрат топлива; качественное повышение функциональных возможностей космических средств нового поколения; создание ряда инновационных продуктов для наземной энергетики (наземного сегмента КСЭС); новые технологии, в том числе автоматизированного раскрытия крупногабаритной центробежной системы СБ с волоконными лазерами или волоконных лазеров с солнечной накачкой на орбите и управления лазерным лучом с помощью пилот-сигнала с наземной приемной антенны.
Рисунок 11.
Компоновка прототипа КСЭС на волоконных лазерах с солнечной накачкой для демонстрационного эксперимента на ТГК «Прогресс»
Научно-техническим заделом для космического эксперимента на ТГК «Прогресс» является КЭ «Знамя 2» (рис. 4).
Следует отметить, что космический эксперимент предполагает наземную отработку всей участвующей в эксперименте аппаратуры и тем самым решает задачи первых наземных этапов создания КСЭС, которые уже пройдены в США и Японии. Эффективность и КПД элементной базы КСЭС непрерывно совершенствуются и к моменту создания промышленной КСЭС и в дальнейшем могут иметь весьма высокие значения.
Заключение
Преимущества использования КСЭС по сравнению с тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями, заключаются в трансляции экологически чистой без токсичной химии и радиации и дешевой энергии непосредственно в район ее потребления без затрат на линии электропередач. Эффективные проектно-конструкторские решения на базе центробежных бескаркасных конструкций и полупроводниковых или волоконных лазеров с солнечной накачкой обеспечат низкую стоимость системы, ее простоту и высокую надежность, высокий КПД и слабое влияние на экологию окружающей среды, управление в пространстве без затрат рабочего тела путем использования самой вращающейся конструкции в качестве тяжелого гироскопа и модульное построение системы из большого числа идентичных аппаратов, могут обеспечить паритет в создании КСЭС с другими странами.
После аварии сразу на 3 атомных реакторах (Фукусима, 2011 г.) в Японии принята «Императорская» программа создания КСЭС к 2040 г., способная обесценить природные ресурсы (нефть, газ, уран) других стран, поскольку вырабатываемая в космосе и транслируемая на Землю энергия оценивается японцами в 6 раз дешевле ее выработки на Земле. Если не осуществить разработок КСЭС, направленных на поддержание паритета или возможного лидерства, имеется перспектива завоевания Японией мирового энергетического рынка. США активно проводятся работы по созданию КСЭС. Китай объявил в декабре 2019 г. о намерении создать КСЭС к 2035 г., обогнав Японию. Интерес к проблеме проявляют Канада, Индия, Евросоюз, Израиль и ряд других стран.
Чтобы не создавать отрасль аэростатостроения для приема лазерного луча выше облачности из-за непрозрачности атмосферы, что не эффективно по ряду соображений, в основном из-за террористической опасности, проще разработать полупроводниковый лазер в диапазоне 1,3 мкм, или 3,8 мкм, также 9 мкм окон прозрачности атмосферы на первом этапе создания КСЭС на базе тонкопленочных солнечных батарей и запитываемых ими полупроводниковых лазеров, пока не созданы более эффективные волоконные лазеры с солнечной накачкой, и в перспективе на втором этапе создать волоконный лазер с солнечной накачкой на той же длине волны. Повсеместный переход на использование КСЭС приведет к стабилизации климата и замещению нефти.
