Космические солнечные электростанции и их энергетические особенности
Отмеченное выше непостоянство солнечной радиации и сравнительно небольшая ее интенсивность, приходящаяся на единицу земной поверхности, приводят к тому, что строительство наземных СЭС требует затраты больших площадей для размещения на ней поля гелиостатов (или пруда), аккумулятора и других сооружений.
В связи с этим высказываются многочисленные идеи использовать для СЭС спутники. Суть этих идей заключается в том, что спутник особой конструкции запускается на геостационарную (геосинхронную) орбиту (примерно 35 тыс. км), где он вращается синхронно с планетой и как бы зависает над определенной точкой земной поверхности. В этих условиях спутник более 99% времени будет освещаться солнцем и при этом плотность потока энергии составляет 1,4 кВт/м, т. е. в 5—7 раз больше, чем в среднем на поверхности Земли. Сконцентрированная на спутнике солнечная энергия после преобразования в электрическую через специальную антенну узким пучком в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения с частотой 2,4—2,5 ГГц (длина волны 10-12 см) без каких-либо атмосферных помех передается на Землю. На Земле излучение принимается на соответствующую антенну, и после преобразования в переменный ток промышленной частоты поступает в энергосистему или непосредственно потребителям. В этом суть космической солнечной электростанции (КСЭС).
Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую может быть при этом осуществлен двумя основными путями. Первый из них основан на использовании любых полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей. Однако в известных проектах КСЭС предполагается использовать лИшЬ два типа фотопреобразователей — на основе кремния и арсенида галлия. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Расчеты показывают, что, используя, такие преобразователи для создания КСЭС мощностью 500 МВт, общая масса в обоих случаях составит примерно 8000 т, а вместе с несущими каркасами, концентраторами, проводниками и другой аппаратурой более 12 000 т. И если этот показатель для КСЭС с обоими типами преобразователей одинаков, то следует отметить, что кремниевые преобразователи пока еще очень дороги, так как монокристаллы высокой чистоты выращивать чрезвычайно трудно, а галлиевые преобразователи хотя и имеют более высокие значения КПД и ряд других более высоких качеств, чем кремниевые, однако существенным препятствием на пути их применения является ограниченность запасов галлия, сложность и высокая стоимость его добычи и переработки. Расчетный срок службы таких КСЭС определяется в 30—35 лет.
Второй способ преобразования для КСЭС солнечной энергии в электрическую принципиально может быть осуществлен на основе любых известных преобразователей тепловой энергии—машинных (газо - и паротурбинных), прямых (термоэмиссионных, термоэлектрических, МГД) и ряда других устройств. Однако наибольшее распространение в разработанных проектах нашли системы на базе газо - и паротурбинных преобразователей замкнутого типа, работающих по циклам Брайтона и Ренкина.
Основными достоинствами этих преобразователей являются значительно более высокий, чем у фотопреобразователей КПД (до 40% против 14—16%), хорошо освоенная технология производства моЩнЫх турбин и генераторов, наличие развитой промышленной базы и ряд других технических и экономических качеств.
Сопоставляя газотурбинные и паротурбинные преобразователи, отметим, что первые имеют более низкий КПД, чем вторые. Поэтому для получения одинакового КПД газотурбинные преобразователи должны иметь больший перепад температур в цикле Брайтона и соответственно большие размеры тепловыделяющей поверхности холодильника—излучателя. Важным преимуществом газотурбинных преобразователей являются однофазность рабочих тел (инертные газы), отсутствие агрессивности их к конструкционным материалам, легкость запуска и регулирования. Все это привело к тому, что пока использование в проектах КСЭС газотурбинных преобразователей находит большое распространение.
В этом случае процесс преобразования солнечной энергии в электрическую будет сводиться к следующему. Так же, как и в обычных СЭС башенного типа, концентраторы (обычно в форме параболоида вращения) собирают солнечный свет и после многократного его усиления направляют на теплоприемник. В качестве рабочего тела используется какой-либо инертный газ (например аргон), который, будучи нагретым до 1000—1300 К, поступает в турбину и вращает ее вал вместе с ротором генератора. Отработавший в турбине газ охлаждается в рекуператоре и радиаторе и компрессором, расположенным на одном валу с турбиной, вновь подается в теплообменник. Общий КПД всей установки составляет при этом примерно 18%. Известен проект такой КСЭС, состоящий из 16 блоков турбогенераторов мощностью 500 МВт каждый. Удельная масса, т, е. масса, приходящаяся на 1 кВт установленной мощности, в этой схеме составляет 2 кг/кВт, что по крайней мере вдвое меньше, чем у современных солнечных батарей.
Однако преобразование солнечной энергии в электрическую с использованием космической ТЭС имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, наличие вращающихся узлов и деталей снижает эксплуатационную надежность установки, что в условиях космоса имеет большое значение. Этот недостаток, правда, можно избежать, если вместо вращающихся турбин использовать МГД-генераторы. Низкие температуры космоса упрощают при этом применение сверхпроводящих обмоток магнитов, а почти абсолютный вакуум облегчает задачу герметизации. Во - вторых, изготовление огромного концентратора, имеющего форму параболоида вращения, в условиях космоса представляет большие трудности.
Какой из указанных двух методов преобразования солнечной энергии в электрическую является предпочтительнее, сейчас сказать нельзя. Необходимо дальнейшее совершенствование того и другого, в частности, совершенствование технологии производства батарей и их конструкций.
Принципиально можно избежать стадию превращения солнечной энергии в электрическую. В этом случае прибегают к прямому преобразованию солнечной энергии в энергию монохроматического излучения (излучение одной определенной частоты) с последующей аналогичной передачей ее на Землю. Однако этот способ пока еще слабо проработан в проектной практике в конструктивно-технологическом отношении.
Особой проблемой является передача выработанной в космосе электроэнергии на Землю. Достоинством передачи энергии СВЧ-излучением является освоенность элементной базы, а также практически отсутствие потери при прохождении микроволнового излучения через атмосферу.
Для того чтобы выработанную в космосе электроэнергию преобразовать в СВЧ-излучение, предлагается использовать либо усилители со скрещенными полями — амплитроны, либо устройства на линейных пучках— клистроны, а, может быть, удастся использовать электронные приборы, непосредственно преобразующие солнечное излучение в СВЧ - мощность. При этом относительно большая длина волны СВЧ-излучения (10—12 см) влечет за собой и большую расходимость пучка, что потребует создания наземных антенн (их называют ректеннами) с большой площадью.
Расчеты показывают, что для передачи моЩнОсти 5000 МВт передающая антенна должна иметь диаметр около 1 км. Размеры ректенни зависят от места ее размещения (широты), и на экваторе это будет круг диаметром до 12 км. Ректенна должна не только принимать СВЧ-излучение, но и с помощью миллиона диодных элементов преобразовывать его в постоянный ток, который в свою очередь при надобности преобразовывается обычным способом в переменный. Площадь ректенны достигает при этом 250—270 км2. Изъятие ее из активного пользования может быть в определенных случаях недопустимым. Во избежание этого предлагается решетку антенны несколько приподнять над поверхностью, что позволит проникать солнечному свету и осадкам при сохранении ее поглощающей способности.
Несколько лет тому назад в зарубежной печати было высказано предложение использовать для передачи энергии лазерный луч. В этом случае приемопередающие устройства будут иметь диаметр всего несколько десятков метров. Однако в использовании этого метода имеется один существенный недостаток. Дело в том, что диапазоны частот, в которых работают мощные лазеры с высоким КПД, не совпадают с теми, которые позволяют обеспечить эффективное обратное преобразование световой энергии в электрическую, что значительно снижает эффективность такого рода КСЭС. Кроме того, интенсивность лазерного излучения в значительной мере зависит от состояния атмосферы (например, чем сильнее облачность, тем сильнее ослабляется лазерное излучение).
Что касается экономической целесообразности сооружения КСЭС, то высказываются предположения, что она может быть обеспечена лишь в том случае, когда будет приобретен определенный опыт в их строительстве и когда современная цена 1 кВт-ч электроэнергии будет значительно выше (по исследованиям в США не менее, чем в 2 раза).
Много неясностей имеется в экологических вопросах. Высказываются, например, опасения о возможности изменения скорость движения) от воздействия на них СВЧ-пучка. В случае, если это произойдет, то не только изменятся условия прохождения самого пучка, но и изменятся условия распространения радиоволн, что приведет к возникновению помех в радиосвязи.
СВЧ-излучение, особенно его высокочастотная составляющая, довольно сильно поглощаются молекулами воды и кислорода и может вызвать локальный нагрев воздуха.
Кажется бесспорным, что СВЧ-излучение не будет представлять никакой опасности для пассажиров воздушного транспорта, поскольку корпус летательных аппаратов служит надежной защитой от воздействия СВЧ. Однако СВЧ-излучение будет, несомненно, оказывать влияние на работу электронной аппаратуры (бортовые ЭВМ, навигационное оборудование и т. п.), что может привести к весьма нежелательным последствиям.
Что касается воздействия СВЧ-излучения на незащищенные живые организмы, попавшие в зону его воздействия, то здесь специалисты утверждают, что такая опасность может быть, особенно для организмов, попавших в центральную часть пучка. Однако конкретные формы опасности и степень ее проявления еще нуждаются в дальнейших исследованиях.
Итак, создание КСЭС — задача сложная, охватывающая многие области науки и техники, экономические и социально-политические аспекты общества, требующая международного сотрудничества. Но вместе с тем освоение космоса в энергетических целях — задача весьма перспективная.
Американские специалисты считают, что для условий США разработка, сооружение и эксплуатация КСЭС окупятся, если к 2014 г. будут функционировать не менее 60 электростанций мощностью 5000 МВт каждая.
