Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Солнечная космическая электростанция (СКЭС)

В заключение - немного фантастики, хотя идеи, лежащие в основе этого проекта, в наши дни совершенно не выглядят фантастичными в традиционном смысле этого слова. Есть место, где Солнце светит всегда, а параметры излучения постоянны, вне зависимости от географической широты, времени суток и года, день там не сменяется ночью, лето - зимой, нет облаков или атмосферы, которые могли бы ослабить солнечные лучи. Открытый космос - лучшее место для размещения солнечных электростанций.

В 1968 г. американским ученым Глазером был предложен и в настоящее время серьезно обсуждается проект создания на гелиостационарной орбите солнечной космической электростанции (СКЭС) с полупроводниковым СЭ, энергия которой передается на Землю в виде СВЧ в дециметровом диапазоне. Необходимо отметить, что первый проект, предусматривающий крупное масштабное преобразование космического солнечного излучения в электрическую энергию для питания двигателей гелиора-кетоплана, был предложен и разработан В. П. Глушко в 1928-1929 гг.

Что же представляет собой солнечная космическая электростанция? Разместиться она должна будет на так называемой геостационарной орбите - круговой траектории радиусом 35800 км. Обращаясь вокруг Земли за 24 часа, станция движется синхронно с планетой и как бы повисает над определенной точкой ее поверхности (на такие орбиты в наши дни запускают трансляционные спутники связи - широко известные "Экраны" и др.). Станция, находящаяся на такой орбите, свыше 99% времени будет освещаться солнечными лучами. Каждый квадратный метр фотоэлектрических "крыльев" станции получит от Солнца около 1,36 кВт мощности. В принципе нет ничего трудного в том, чтобы построить "крылья" площадью несколько десятков квадратных километров и вырабатывать миллионы киловатт электроэнергии. Согласно одному из проектов солнечная электростанция с двумя "крыльями" размером 5x6 км, каждое при коэффициенте преобразования света в электричество 0,1, сможет давать 5млн. кВт - столько же, сколько дают сегодня наши крупнейшие гидроэлектростанции.

Есть и другой проект, в соответствии с которым вместо фотоэлектрических батарей в космосе из отдельных модулей собираются гигантские зеркала. С их помощью можно сфокусировать солнечные лучи с большой площади на мощный паровой котел, а дальше по привычной схеме: образующийся перегретый пар вращает турбину, та, в свою очередь, приводит в движение электрогенератор.

Масса оборудования СКЭС мощностью 10 млн. кВт с солнечными батареями составит около 35 тыс. т, а станция с турбогенераторами - более 100 тыс. т. Как же забросить такую махину в космос? Ясно, сборку СКЭС лучше всего, вероятно, проводить на околоземной орбите по частям, используя для их доставки автоматические транспортные корабли, прототипы которых - "Прогрессы" - стали уже привычным атрибутом наших космических экспедиций. Когда станция будет смонтирована, ее с помощью ракетных двигателей медленно и аккуратно - чтобы не создавать больших перегрузок и не повредить конструкции - переведут на геостационарную орбиту.

Допустим, что все проблемы, связанные со строительством СКЭС и выработкой на ней электроэнергии, решены. Станция вырабатывает миллиарды киловатт-часов электричества, но что с ним делать дальше? Энергию ждут потребители на Земле, но как ее туда передать, не по проводам же?

В принципе есть два способа: сделать это либо с помощью лазерного луча, либо с помощью сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Наиболее отработан сегодня второй способ, в расчеты и практическое осуществление которого большой вклад внес выдающийся советский физик, лауреат Ленинской и Нобелевской премий академик П.Л. Капица. Использование электромагнитного излучения сулит огромные выгоды: электричество можно будет перекачивать по волноводам - трубам, подобно нефте- и газопроводам, проложенным под землей.

Но ведь из космоса не проложишь трубу до Земли. А она и не потребуется. В условиях космического вакуума энергия СВЧ-лучей будет распространяться практически без рассеяния и потерь. В атмосфере под действием СВЧ-излучения возникает узкий канал, образованный ионизированными молекулами газа. По этому каналу энергия в форме электромагнитного излучения будет беспрепятственно передаваться на десятки тысяч километров от СКЭС к потребителям на Земле. На ее поверхности чаша приемной антенны диаметром в несколько километров примет СВЧ-излучение, которое затем будет преобразовано в обычный переменный или постоянный ток и поступит в электрическую сеть.

Однако жизнь может внести в этот проект существенные коррективы, Все чаще в земных условиях, желая ограничить протяженность высоковольтных ЛЭП и уменьшить потери электроэнергии, расходы на строительство, непроизводительное отчуждение земель, мы стремимся приблизить энергоемкие производства к источникам энергии. Так почему быне пойти по этому пути и в космосе?

Принцип размещения на космических орбитах в единственном комплексе со СКЭС таких производств, как металлургия, химия, полупроводниковая электроника, имеет множество достоинств. В условиях космического вакуума и невесомости легче, чем на Земле, получать особо чистые вещества или материалы заданным распределением компонентов, выращивать однородные большие кристаллы и т.д. Первые эксперименты на советских орбитальных станциях показали перспективность космических технологий, и, безусловно, не за горами стадия промышленного освоения этих новых процессов.

Мы видим, как идея солнечной электростанции в космосе начинает срастаться с идеями космических поселений, "эфирных городов", трансформируясь в проект своеобразного "космического ТПК", подобно тому, как энергетические центры на Земле становятся сердцем территориально-производственного комплекса, включающего в себя различные промышленные предприятия.

Для освоения космического пространства и энергоснабжения будущих космических индустриальных комплексов идея СКЭС весьма актуальна и перспективна, поскольку в этом случае традиционные способы передачи энергии неприемлемы. Однако при оценке схемы крупномас* штабного производства энергии для электроснабжения Земли технико-экономические, экологические и социальные факторы являются решающими, и требуется тщательное изучение всех аспектов проблемы.

В первых работах по СКЭС указывалось, что эффективность использования СКЭС на геосинхронной орбите оказывается на порядок выше, чем на Земле. Был проведен более тщательный расчет с учетом зависимости КПД СЭ от спектрального состава излучения и температуры, который показал, что количество электроэнергии, выработанной СКЭС, оказывается в наше время в 1,5-3,5 раза, а в будущем с учетом повышения КПД СВЧ-тракта, в 2,25-5,17 раза больше количества энергии, выработанной наземной СФЭС, установленной в районах от 20° до 55° с.ш.

Если использовать в СКЭС концентраторы, температура СЭ значительно возрастает, но в наземных условиях она может быть сделана более низкой даже при более высокой концентрации излучения, а эффективность использования СЭ на Земле будет более высокой благодаря возможности применения тепловой энергии в промышленности, коммунальных системах отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования.

Учитывая высокую стоимость вывода на орбиту, сборки и обслуживания орбитального комплекса с СКЭС, предполагаемое увеличение выработки электроэнергии в 2-5 раз по сравнению с наземной СФЭС является недостаточным для компенсации затрат, связанных с проектированием и изготовлением комплекса.

Широтная схема расположения наземных СФЭС, объединенных в энергосистему, позволит исключить один из основных недостатков солнечного излучения на Земле - зависимость его от времени и погодных условий. Для создания мировой или региональной энергосистемы в будущем может оказаться целесообразным создание системы спутников и приемных станций для трансляций с Земли больших потоков энергии с помощью СВЧ или лазерных устройств в районы с интенсивным энергопотреблением. Особенно большое значение передача энергии через спутники-отражатели будет иметь для развития труднодоступных районов Сибири и северных районов России.

Технико-экономические преимущества использования спутников-ретрансляторов не вызывает сомнений, однако должно быть тщательно изучено влияние СВЧ-потоков на биосферу и климат Земли.

Мощные пучки СВЧ-излучения пронзят ионосферу и атмосферу. Как это скажется на их состоянии? А что будет с птицами, попадающими в зону мощного СВЧ-излучения? В принципе'СВЧ-лучи представляют опасность и для людей, путешествующих по воздуху. По идее, корпус самолета должен защитить, экранировать экипаж и пассажиров от вредного воздействия лучей. Но не возникнут ли при этом сбои в работе бортовой электронной аппаратуры, гибельные для самолета? Возможно, что какие-то зоны придется объявить запретными для воздушного транспорта. Самого внимательного изучения требует и проблема размещения наземных приемных антенн и их влияние на окружающую среду.

Есть еще одна серьезная опасность. Она, впрочем, может стать пре-пятетвием на'пути не только СКЭС, но и массового космического транспорта. Современные ракетные двигатели, работающие на химическом топливе, выбрасывают в атмосферу большое количество окислов азота. Накапливаясь в районах космических трасе, они будут влиять на состав и свойства верхних слоев атмосферы. В частности, окислы азота способствуют распаду молекул озона, что в конечном счете может привести к разрушению озонового пояса - своеобразного щита, укрывающего все живое на планете от губительного действия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Между тем строительство и эксплуатация СКЭС и других объектов космической индустрии потребует создания мощного космического флота, который мог бы регулярно доставлять большие партии грузов. Как поведет себя озоновый пояс под такой огромной нагрузкой, сказать трудно.

Проект солнечной электростанции, предложенный в России, предполагает вывод на геостационарную орбиту системы гелиостатов, отражающих солнечное излучение на наземную приемную станцию, содержащую концентраторы излучения на основе параболойдных отражателей или линз Френеля и полупроводниковые охлаждаемые СЭ. Гелиостаты, выполненные из стекла или тонкой металлизированной пленки, имеют оптические фильтры, отражающие на Землю излучение в диапазоне 0,4-1,1 мкм. Для гелиостационарной орбиты максимальный общий диаметр наземных концентраторов составит 336 км. Площадь СЭ из кремния при концентрации 5-103 составит 22,6 км2, масса - 5-106 кг.

Электрическая мощность, вырабатываемая СФЭС, зависит от диаметра гелиостата и наземной станции. При диаметре гелиостата 10 км освещенность СЭ и электрическая мощность будут равны показателям американского проекта при освещенности наземной СФЭС, составляющей только 0,5 Вт/м2. Оптический КПД гелиостата принят равным 0,85, концентратора - 0,85, пропускание атмосферы в диапазоне 0,4 - 1,1 шки -80%.

С увеличением площади гелиостата или наземной станции линейно возрастает освещенность СЭ и электрическая мощность СКЭС. Электрическая мощность СФЭС, соответствующая суммарной установленной мощности на всех электростанциях России, будет получена при диаметре гелиостата 55 км и наземной СФЭС 336 км, при освещенности СЭ примерно 10 Вт/см2, интенсивности освещения наземной станции 25 Вт/м2 (0,025 солнечной постоянной).