Космические электростанции

Космические электростанции

Введение

Основным источником энергии для человечества до сих  пор остается природное топливо - углеводороды (нефтепродукты, газ, уголь). Его использование оказывает  исключительно негативное воздействие  на окружающую среду, не говоря уже об ограниченности земных ресурсов. Частично решить проблему позволяет атомная энергетика, а также возобновляемые источники энергии (гидро, приливные, геотермические, ветровые электростанции). Но и тогда останется открытым вопрос транспорта, работающего, как правило, на жидких углеводородных соединениях. Словом, пока не найдено общей концепции и технологического решения этих взаимосвязанных энергетических и экологических проблем. Между тем наиболее рациональным выходом из сложившейся ситуации может стать переход к энергоснабжению из космоса.

Как известно, Солнце всегда было первичным источником энергии  для нашей планеты. Благодаря  этой звезде на Земле накоплены и  запасы углеводородов, которые мы сегодня  активно сжигаем. Для того чтобы  сегодня человечество смогло удовлетворить свои нужды в энергоресурсах, требуется ежегодно 10 млрд т условного топлива. Если энергию, поставляемую Солнцем на Землю за год, перевести в то же условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов т. Взяв для своего внутреннего потребления хотя бы один процент, т.е. 1 триллион т этого самого условного топлива, человек решил бы многие свои проблемы на века вперед.

Эта идея серьезно обсуждалась  на Президиуме АН СССР уже вскоре после  полета Юрия Гагарина и была признана заслуживающей внимания. В последующие годы проекты космических солнечных электростанций (КСЭС) стали рождаться как грибы после дождя, особенно в годы энергетического кризиса середины 1970-х годов. Но все они были "привязаны" к геостационарной орбите, заполненной почти до разумного предела информационными спутниками многих стран. Наличие там еще и электростанций могло стать серьезной помехой для их работы.

Надо сказать, что для  России в принципе более предпочтительна  для размещения КСЭС вытянутая 12-часовая  солнечно-синхронная или приближающаяся к ней по параметрам орбита. В этом случае электростанция станет "восходить" над горизонтом дважды в сутки. Апогей ее орбиты будет находиться над Северным полюсом на высоте 40000 км, а перигей - в районе Южного полюса на расстоянии 500 км от земной поверхности. Энергия от одной такой КСЭС будет подаваться в течение 8 часов с апогейного участка, причем в наиболее нуждающиеся в ней северные районы страны. В остальные 4 часа происходит накопление энергии аккумуляторными станциями.

Для доставки на рабочие  орбиты элементов КСЭС и их сборки, а в дальнейшем и обслуживания станции потребуется разработка монтажных, воздушно-космических и  межорбитальных транспортных космических  комплексов, что в целом представляет не менее сложную задачу, чем создание самих КСЭС. Но в любом случае солнечные электростанции в космосе представляются более дешевым и перспективным вариантом решения энергетических проблем на Земле, чем доставка с Луны пресловутого Гелия-3 для термоядерных электростанций.

Цель данной работы – рассмотреть сущность космических электростанций. Задачи работы: определить принцип работы космических электростанций, рассмотреть перспективы развития космических электростанций.

1. Космические электростанции: сущность  и принцип работы

В 1968 году американский специалист в области космических  исследований Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) предложил размещать крупные  панели солнечных батарей на геостационарной  орбите, а вырабатываемую ими энергию (уровня 5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли хорошо сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать её затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты и раздавать потребителям [2, 3]. Такая схема (рис. 1) позволяет использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на геостационарной орбите (~ 1,4 кВт/кв.м.), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий [2-12]. За счёт естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., спутник, расположенный на геостационарной орбите, освещён потоком солнечной радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда этот спутник попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме они не превышают 1% от общей продолжительности года.

Рисунок 1 – Общая схема  СКЭС

Частота электромагнитных колебаний  СВЧ-пучка должна соответствовать  тем диапазонам, которые выделены для использования в промышленности, научных исследованиях и медицине. Если эта частота выбрана равной 2,45 ГГц, то метеорологические условия, включая густую облачность и интенсивные осадки, практически не влияют на КПД передачи энергии. Диапазон 5,8 ГГц заманчив, поскольку дает возможность уменьшить размеры передающей и приемной антенн. Однако влияние метеорологических условий здесь уже требует дополнительного изучения.

Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД  передачи энергии СВЧ пучком с  геостационарной орбиты на поверхность  Земли - порядка 70-75%. При этом диаметр  передающей антенны обычно бывает выбран равным 1 км, а наземная ректенна имеет размеры 10 км х 13 км для широты местности 35 град. СКЭС с уровнем выходной мощности 5 ГВт имеет плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны 23 кВт/кв.м., в центре приемной – 230 Вт/кв.м. (рис. 2).

Рисунок 2 –  Распределение плотности СВЧ-мощности на поверхности Земли

Были исследованы  различные типы твёрдотельных и  вакуумных СВЧ-генераторов для  передающей антенны СКЭС. Вильям Браун  показал, в частности, что хорошо освоенные промышленностью магнетроны, предназначенные для СВЧ-печей, могут быть использованы также и в передающих антенных решётках СКЭС, если каждый из них снабдить собственной цепью отрицательной обратной связи по фазе по отношению к внешнему синхронизирующему сигналу (так называемый, Magnetron Directional Amplifier - MDA).

Ректенна –  высокоэффективная приёмно-преобразующая  система, однако низковольтность диодов и необходимость их последовательной коммутации, может приводить к  лавинообразным пробоям. Циклотронный преобразователь энергии позволяет в значительной мере устранить эту проблему [5, 9, 17, 18].

Передающая  антенна СКЭС может представлять собой обратно-переизлучающую активную антенную решётку на основе щелевых  волноводов. Её грубая ориентация осуществляется механическим путём, для точного наведения СВЧ-пучка используется пилот-сигнал, излучаемый из центра приёмной ректенны и анализируемый на поверхности передающей антенны сетью соответствующих датчиков.

Остановимся кратко на тех привлекательных сторонах, которые имеет СКЭС, как одна из энергосистем будущего:

СКЭС использует неистощимую (возобновляемую) энергию  Солнца, т.е. того, уже созданного природой термоядерного котла, благодаря  которому существует все живое на нашей планете.

Не расходуются  ограниченные по размерам и ценные для технологических процессов будущего природные ресурсы Земли (уголь, нефть, газ и др.).

СКЭС обеспечивает минимальные тепловые потери (КПД  ректенны может достигать 85-90%), что  довольно существенно - проблема теплового  загрязнения является одной из наиболее крупных глобальных проблем, возникающих перед Человечеством.

 Нет проблем, связанных с выбросами СО₂.

 Отсутствует какие-либо иные выбросы, загрязняющие атмосферу.

 Нет проблем, связанных с захоронением радиоактивных отходов и/или отработавшего ресурс радиоактивного оборудования.

Высокая степень  безопасности для населения Земли.

Наземная приемная система может быть приподнята над  поверхностью Земли и обладать на 80-90% прозрачностью для солнечного излучения. Это позволяет эффективно использовать ее площадь для сельскохозяйственных или промышленных целей.

 Микроволновый пучок СКЭС может легко перебрасываться с одной приемной системы на другую, обеспечивая, тем самым, возможность оперативного переключения территориально удаленных потребителей.

2. Перспективы развития космических электростанций

Космические солнечные  электростанции должны выдержать конкуренцию  с другими более доступными источниками  энергии, которыми в XXI в. могут стать:

1. Электростанции с ядерными реакторами деления.
2. Электростанции с ядерными реакторами синтеза.
3. Приливные электростанции.
4. Электростанции, использующие энергию волн.
5. Ветровые электростанции.
6. Наземные солнечные электростанции.
7. Электростанции, использующие энергию теплых океанских течений.
8. Электростанции, использующие энергию нагретых горных пород в глубине Земли.

Одни источники  энергии могут оказаться перспективнее  других, и каждый из них имеет  свои преимущества и недостатки. Окончательное  заключение, к сожалению, можно будет  сделать только после длительного  изучения всех возможных вариантов с учетом стоимости, безопасности и надежности.

Рисунок 3 - КСЭ, предложенная Глезером

Концепция геостационарной  КСЭ мощностью 10 000 МВт. Вырабатываемая ею электроэнергия будет передаваться на Землю на приемную станцию антенной диаметром 1 км в виде пучка, сформированного микроволновыми генераторами. Использование микроволнового пучка с длиной волны 10 см позволит обеспечить передачу энергии в любую погоду. Панели солнечных фотоэлектрических батарей в этом проекте имеют форму квадрата со стороной 4 км. Под углом к плоскости батареи расположены зеркальные концентраторы солнечной энергии.

Цикл Брайтона. Тепловая энергия солнечного излучения фокусируется в полостном абсорбере, где нагревает жидкий гелий, поступающий из теплообменника. Нагретый газ расширяется в турбине (вверху), вырабатывающей энергию для привода компрессора и генератора. Переменный ток напряжением 10 кВ, вырабатываемый генератором, преобразуется трансформатором в ток напряжением 328 кВ. В рекуператоре газообразный гелий охлаждается, затем поступает в теплообменник, где переходит вновь в жидкое состояние. Жидкометаллический охлаждающий контур рассеивает избыточное тепло в космическое пространство.

В 1968 г. П. Е. Глезер (фирма «Артур Д. Литтл») предложил  концепцию космических солнечных  электростанций. Идея заключалась в  развертывании огромных солнечных  батарей для улавливания солнечного излучения с целью фотоэлектрического преобразования его в электроэнергию. [12]

Выработанную  электроэнергию можно передавать на Землю в виде микроволнового излучения, где оно будет преобразовано  обратно в электроэнергию и использовано в промышленных энергетических системах.

Концепция, навеянная фантазиями Жюля Верна и Герберта Уэллса, вначале была встречена инженерной общественностью с большим скептицизмом, но постепенно техническая идея, выдвинутая Глезером, получила признание, и космические солнечные электростанции заняли достойное место среди других энергетических систем, изучаемых правительственными агентствами.

В 1972 г. НАСА заключило  с фирмой «Артур Д. Литтл» контракт на сумму 197 400 долл., направленный на изучение основных технических проблем создания космических солнечных электростанций. К этой работе были подключены и другие наиболее крупные аэрокосмические фирмы. Перед фирмой «Грумман аэроспейс», построившей лунную кабину космического корабля «Аполлон», была поставлена задача разработать космическую платформу для солнечной электростанции.

Одна из наиболее крупных фирм США, проявившая интерес  к будущему солнечной энергетики («Боинг аэроспейс»), намеревается довести  концепцию космических солнечных  электростанций до инженерной реализации. Она рассматривает конструкцию  размером с небольшой город и мощностью, в два раза превышающей мощность самой крупной в США гидроэлектростанции Гранд-Кули. Потребуется 45 таких гигантских спутников, чтобы производить электроэнергию в количестве, вырабатываемом в США в настоящее время. Это позволит высвободить нефть, уголь и их производные для других нужд.

Большие платформы, висящие на геостационарной орбите, 99% времени будут освещены Солнцем  и только в течение коротких периодов времени весной и осенью будут  заходить в тень Земли. [5]

Субсидируемая из частных фондов, предназначенных на проведение научных исследований, а также по контрактам НАСА и других правительственных агентств фирма «Боинг» сосредоточила свое внимание на двух основных схемах солнечных электростанций: фотоэлектрической схеме, впервые предложенной Глезером, и схеме с использованием теплового цикла Брайтона. Каждая электростанция должна производить 10 000 000 кВт, что достаточно для удовлетворения потребностей миллиона семей.

С учетом возможного прогресса в повышении к. п. д. солнечных элементов спутник с фотоэлектрическим преобразованием энергии будет иметь прямоугольную форму длиной около 24,8 км и шириной около 5,2 км (площадь около 129 км2). На такой огромной площади будет смонтировано около 14 млрд. солнечных элементов. Полная масса космической станции будет составлять 80 000-100 000 т.

Основой конструкции  станции, работающей по циклу Брайтона, являются четыре параболических концентратора  солнечной энергии, каждый около 5,6 км шириной, имеющих вид огромных бочек, занимающих в космосе около 24 км. Каждый концентратор будет состоять из тысяч управляемых сверхтонких пластиковых отражателей, предназначенных для фокусирования солнечного излучения в куполообразном полостном абсорбере.

Рабочий газ, проходя  через абсорбер, нагревается и расширяется в турбогенераторах электростанции, вырабатывающих электроэнергию, после чего перекачивается в большие оребренные радиаторы, в которых охлаждается перед возвращением в полость абсорбера.

Расчеты показали, что космическая электростанция, работающая по циклу Брайтона, будет иметь практически ту же полную массу, что и фотоэлектрическая электростанция. [6]

Каждая система  имеет свои преимущества и недостатки, но обе можно рассматривать как  примеры будущих крупногабаритных космических сооружений. Преимуществом фотоэлектрической станции является простота конструкции. Однако по современным представлениям солнечные элементы будут иметь более низкий к. п. д., чем тепловые установки, и более высокую стоимость производства. Станции, работающие по циклу Брайтона, являются сложными сооружениями, однако они имеют более высокий к. п. д. преобразования солнечной энергии.

Рисунок 4 - КСЭ с фотоэлектрическими преобразователями энергии в процессе сборки на геостационарной орбите. Ферменная конструкция кажется непрочной. Однако следует иметь в виду, что условия невесомости в космосе открывают возможности использования более ажурных конструкций, чем на Земле.

Заключение

Первая промышленная солнечная электростанция (СЭС) была построена в 1985 г. в СССР в Крыму, недалеко от г. Щелкино. Она имела пиковую мощность в 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. Однако в середине 1990-х годов станция был закрыта, поскольку стоимость вырабатываемой ею электроэнергии оказалась довольно высокой. Одна из причин - недостаточная эффективность работы СЭС в земных условиях. Отсюда решение - строить такие электростанции в космосе.

СКЭС – одна из наиболее перспективных, экологически чистых энергосистем будущего, которая не только базируется на широкомасштабном использовании самых современных технологий, но и будет эффективно стимулировать их развитие в дальнейшем.

 Уже накоплен определённый позитивный опыт международного сотрудничества в области управляемого термоядерного синтеза (ITER), создания и использования международной космической станции (ISS), разработки и создания пускового ракетного комплекса "морской старт" (Sea Launch) и др.

Международное сотрудничество подобного типа могло бы оказаться весьма перспективным для разработки и создания экспериментального прототипа СКЭС с уровнем мощности 5-10 МВт. Эти работы, вероятно, займут 10-20 лет и могут быть основаны на использовании существующих или частично модернизированных ракетно-транспортных систем.

 Полномасштабные коммерческие СКЭС (5-10 ГВт) будут созданы, скорее всего, не ранее чем через 30-50 лет и потребуют транспортных средств нового поколения с существенно сниженной удельной стоимостью доставки грузов на орбиту. Такие транспортные средства неизбежно появятся в связи с назревающими общими тенденциями промышленного освоения космического пространства. Целенаправленные работы по линии СКЭС могут заметно ускорить этот процесс.

Список литературы

1. Капица П.Л. Электроника больших мощностей - М: Изд. АН СССР, 1962.
2. Ванке В.А., Лопухин В.М., Саввин В.Л. Проблемы солнечных космических электростанций. - Успехи физических наук, Декабрь 1977, т. 123, вып. 4, с. 633.
3. Glaser P.E. Power from the Sun: it’s Future. - Science, 1968, vol. 162, p. 857.
4. Грилихес В.А. Солнечные космические энергостанции. - Л.: Наука, 1986.
5. Ванке В.А., Лесков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы. - М: Машиностроение, 1990.
6. Нариманов Е.А. Космические солнечные электростанции. - М.: Знание, 1991.
7. Нагатомо М., Сасаки С., Наруо Й., Ванке В.А. Работы Института космических исследований Японии области космической энергетики. - Успехи физических наук, Июнь 1994, т. 164, с. 631.
8. Nagatomo M., Sasaki S., Naruo Y. Conceptual Study of a Solar Power Satellite, SPS 2000. - Proc. ISTS, 1994, Paper No. ISTS-94-e-04.
9. Vanke V.A., Matsumoto H., Shinohara N., Kita A. Cyclotron Wave Converter of Microwaves into DC. - IEICE Trans. on Electronics (Japan), 1998, vol. E81-C. No. 7, p. 1136.
10. Mankins J.C. A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures, Concept and Technologies, (1997) - http://www.spacefuture.com/archive/a_fresh_look_at_space_solar_power_new_archit
11. Mankins J.C. The Promise and the Challenge of Space Solar Power. - July 2003, Japan/US Workshop, Kyoto Univ., Japan.
12. 12. Boswell D. Whatever happened to solar power satellites? - The Space Review, August 10, 2004, http://www.thespacereview.com/article/214/1
13. The Proceedings of the 8^th SPS Symposium. - Sept. 2005, Kyoto Univ., Japan.
14. The Proceedings of the 25^th Space Energy Symposium. - March 10, 2006, ISAS/JAXA, Japan.
15. URSI White Paper on Solar Power Satellite (SPS) Systems. - URSI Inter-commission Working Group on SPS. - September 2006, http://www.ursi.ca/SPS-2006sept.pdf
16. Щелкунов Г.П. Солнечная энергетика, глобальные проекты - Электроника: Н Т Б, 2002, № 6, с. 36.
17. Будзинский Ю., Быковский С., Ванке В. Нетрадиционная вакуумная СВЧ-электроника на основе поперечных волн электронного потока. - Электроника: НТБ, 2005, № 4, с. 38.
18. Ванке В.А. Поперечные волны электронного потока в микроволновой электронике. - Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 9, с. 957.
19. Ванке В. СВЧ-электроника – перспективы в космической энергетике. - Электроника: НТБ, 2007, № 5, с. 98