Солнечная Космическая Электростанция (СКЭС)
   Солнечное излучение - экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05 умножить на 10 в 18 степени кВт в ч, из них 2 умножить на 10 в 17 степени кВт вч приходится на поверхность суши. Из этого количества энергии 1,62 на 10в 16 степени кВт o ч в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 2 на 10 в 12 степени т условного топлива (т у.т.) в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре (34,2 млрд. т у.т.).

   Однако использование этой энергии для производства электричества в крупных размерах сопряжено с большими трудностями, главные из которых - низкая плотность солнечной радиации на поверхности земли и прерывистый характер ее поступления (ночное время суток, облачность, пасмурные дни). Известные пути преодоления этих препятствий - создание аккумуляторов энергии и комбинированных солнечно-топливных или солнечноатомных энергосистем, а также применение концентрирующих солнечную энергию устройств, повышающих ее плотность. К сожалению, эти решения не нашли широкого применения, особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями. Совершенно иных результатов можно было бы достичь отказавшись от наземных солнечных электростанций и размещая их на геосинхронной орбите или даже Луне.

Принцип действия:
   Мы предлагаем разместить на геосинхронной орбите или Луне преобразователи солнечной энергии большой мощности. Выбор геосинхронной орбиты (36000 км) в качестве места базирования СКЭС обеспечивает зависание станции над определённым пунктом на земной поверхности. Плоскость геосинхронной орбиты предлагаем выбрать совпадающей с экваториальной плоскостью Земли, наклонённой на 23,5 градусов к плоскости эклиптики, что обеспечивает почти круглосуточное освещение панелей солнечных батарей. Затенение батарей Землёй наблюдается в точках весеннего и осеннего равноденствия и не превышает в общей сложности 1,2 часа.

   Учитывая также, что плотность солнечной радиации на геосинхронной орбите составляет 1,37 кВт/м2, что в 2-2,5 раза больше, чем в среднем на Земле, становятся очевидными преимущества СКЭС перед наземными станциями.

   Поскольку на Луне нет атмосферы, плотность солнечной радиации будет не меньше, чем на геосинхронной орбите. Но в связи с периодичностью освещения Луны потребуются аккумуляторы, которые бы заряжались в освещённые периоды и разряжались бы на Землю в неосвещённые. Это, конечно, недостаток перед орбитальным вариантом, но зато наличие твёрдой поверхности под ногами облегчает функционирование электростанции и делает её в некоторой степени надёжнее, но об этом позже.

Преобразование солнечной радиации в электрический ток:
   К концу XX столетия человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

1) Машинное преобразование солнечной энергии в электричество
   Среди машинных преобразователей наиболее известны паро и газотурбинные установки, в течение столетия работающие на всех наземный тепловых и атомных электростанциях. Пригодны они и для работы в космосе, но после весьма серьёзных изменений и модификаций. В космосе отсутствует сила тяжести и поэтому вещества не будут располагаться по плотности снизу вверх от меньшей к большей и газ не будет подниматься над жидкостью, а на этом и построен принцип работы машинных преобразователей, поэтому придётся создать некоторое поле (например магнитное) заменяющее силу тяжести. Необходим будет специальный теплообменник - излучатель, исполняющий роль конденсатора пара. При этом, если в наземной паротурбинной установке теплота конденсации отводится циркулирующей водой, то в условиях космоса отвод тепла отработавшего в турбине пара или газа (если это газовая турбина) возможен только излучением. Поэтому энергоустановка должна быть замкнутой. Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки показана на рисунке 4. КПД таких установок может достигать 12%.

Солнечная радиация, собранная концентратором 1 на поверхности солнечного котла 2, нагревает рабочее тело -- инертный газ до температур порядка 1200--1500 К и под давлением, создаваемым компрессором 3, подает горячий газ на лопатки газовой турбины 4, приводящей в действие электрогенератор переменного тока 5. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор 6, где подогревает рабочий газ после компрессора, облегчая тем самым работу основного нагревателя -- солнечного котла, а затем охлаждается в холодильнике-излучателе 7.

   Может показаться, что для солнечных энергоустановок, использующих даровую энергию, величина КПД не столь существенна, как для традиционных тепловых машин на органическом топливе. Однако это не так, ибо размеры и вес наиболее громоздких и тяжёлых частей солнечных космических энергоустановок - концентратора и холодильника-излучателя - зависят прежде всего от КПД установки.

   Возможно создание энергоустановки с паротурбинным преобразователем (рисунок 5). Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке (при одинаковых температурах подвода тепла), а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше, чем в ЗГТУ. У энергоустановок с паротурбинным преобразователем, но работающих на органическом рабочем теле, КПД составляет 15 - 20 % при сравнительно невысоких температурах подвода тепла - всего 327-377 градусов Цельсия. При таких характеристиках СКЭС на 10 ГВт (именно такая мощность требуется сегодня крупнейшим мегаполисам мира) потребовался бы холодильник-излучатель огромной площади.

Здесь собранная концентратором 1 солнечная энергия нагревает в солнечном котле 2 рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине 4, соединённой с электрогенератором 5. После конденсации в холодильнике-излучателе 7 отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом 8, вновь поступает в котел 2.

   Общим же недостатком всех машинных преобразователей является наличие в них вращающихся частей, что создает проблемы с поддержанием неизменной ориентации станции. Кроме того, из-за использования в качестве рабочего тела газа или пара необходима специальная защита излучателя от пробоя метеоритами.

2) Прямое преобразование солнечной энергии в электричество
   От недостатков, присущих машинным преобразователям, в известной степени свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.

А) Термоэлектрический метод
   Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре.

   Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств-термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940-1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. Трудами А.Ф. Иоффе и его школы в 40-50-е годы была разработана и теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы.

   Обращает на себя внимание тот факт, что КПД ТЭГ зависит от тех же факторов, что КПД любой тепловой машины: термического КПД обратимого цикла Карно (первый множитель в формуле) и коэффициента необратимых потерь энергии (второй сомножитель). В ТЭГ внутренние необратимые потери связаны главным образом с перетоком тепла по положительной 3 и отрицательной 4 ветвям от горячих 1 (рис. 6) к холодным 5 спаям (спаи, выполняемые обычно из меди, отделяют от ветвей антидиффузионными слоями 2 (рис. 6)). Как следует из формулы, необратимые потери тем ниже, чем выше добротность используемых материалов. Однако теория и многолетняя практика показали, что величина добротности порядка 3 o 10-3 1/град является, видимо, ее предельным значением.

-5

   Соединяя между собой отдельные термоэлементы, можно создавать достаточно мощные термобатареи. Батарея размещена в фокальной плоскости концентратора, ее горячие спаи 1 непосредственно обогреваются солнечной концентрированной радиацией, а отвод тепла от холодных спаев 5 осуществляется излучением. В книге Охотина А.С. и Ефремова А.А. "Термоэлектрические генераторы" приводятся энергетические характеристики космической энергоустановки, подобной вышеописанной, но без концентратора. Ожидаемый удельный вес установки до 50 Вт/кг. Это значит, что электростанция мощностью 10 ГВт может весить до 200 тыс. т. Снижение веса энергоустановки напрямую связано с повышением КПД преобразования солнечной энергии в электричество, чего, как видно из приводимой выше формулы, можно достичь двумя путями: увеличением термического КПД преобразователя (КПД цикла Карно) и снижением необратимых потерь энергии во всех элементах энергоустановки. Первый путь в принципе возможен, так как концентрированное излучение позволяет получать очень высокие температуры. Однако при этом весьма возрастают требования к точности систем слежения за Солнцем, что для громадных по размерам концентрирующих систем вряд ли достижимо. Поэтому усилия исследователей неизменно направлялись на снижение необратимых потерь, в первую очередь на уменьшение перетока тепла с горячих спаев на холодные теплопроводностью. Для решения этой задачи требовалось добиться увеличения добротности полупроводниковых материалов. Однако, как уже говорилось, после многолетних попыток синтезировать полупроводниковые материалы с высокой добротностью стало ясно, что достигнутая величина (2,5-2,7) на 10 в -3 степени является предельной величиной. Тогда при продолжении поиска новых путей снижения перетока тепла и возникла идея разделить горячий и холодный спаи воздушным промежутком, как это имеет место в двухэлектродной лампе - диоде. Если в такой лампе разогревать один электрод - катод 1 и при этом охлаждать другой электрод - анод 2, то во внешней электрической цепи возникнет постоянный ток, что и наблюдал впервые в 1883 году Томас Эдисон.

Б) Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП)
   Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии. Подобно термоэлектричеству, оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество. И хотя природа у термоэлектричества и термоэлектронной эмиссии разная, но выражения для КПД у них одинаковые.

   Главные составляющие необратимых потерь в ТЭП связаны с неизотермическим характером подвода и отвода тепла на катоде и аноде, перетоком тепла с катода на анод по элементам конструкции ТЭП, а также с омическими потерями в элементах последовательного соединения отдельных модулей.

   КПД порядка 10%. Таким образом, благодаря снижению необратимых потерь в самом преобразователе и при одновременном повышении температуры подвода тепла КПД ТЭП оказывается вдвое выше, чем у описанного выше ТЭГ, но при существенно более высоких температурах подвода тепла. Для получения таких температур нагреваемых поверхностей на геосинхронной орбите точность ориентации на Солнце концентратора ТЭП должна находиться в пределах 6°-8°, что при тепловых мощностях СКЭС в 10-20 ГВт и соответствующих площадях концентраторов может стать серьезной технической проблемой.

Рис. 7 Принципиальная схема термоэмиссионного преобразователя    1    2 R

В) Фотоэлектрический метод преобразования энергии
   КПД современных солнечных батарей достигает 13-15%. Наиболее перспективны для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15% при удельных характеристиках 1 кВт/м2 и 200 Вт/кг. При использовании в качестве преобразователя СКЭС мощностью 10 ГВт этих солнечных батарей их площадь составила бы 50 км2 при весе 10 тыс. т.

   Новые солнечные элементы на арсениде галлия производства фирмы Spectrolab имеют КПД около 22%

Рис. 8 Схема солнечной батареи

1- солнечный элемент, 2-защитное стекло, 3-коммутационная шина, 4-подложка.

Хотите высказатся по поводу космической энергетики? ВЫССКАЗЫВАЙТЕСЬ!

Хочешь прислать свою статью? Шли её СЮДА!