Космические солнечные электростанции. Описание типовой космической электростанции



Все об электростанциях


 


Космические солнечные электростанции


Описание типовой космической электростанции


Конструктивный облик типовой крупномасштабной космической солнечной электростанции в основном определен. При полезной мощности энергосистемы 5 млн. кВт электростанция будет представлять собой грандиозное сооружение массой 20—50 тыс. т. Площадь солнечного коллектора, основанного на малоэффективном, но простом и надежном фотоэлектрическом способе преобразования энергии, составит около 50 км2. Другой, более эффективный термодинамический способ преобразования отличается наличием сложных систем, включая узлы вращения, большой материалоемкостью конструкции, но габариты коллектора-концентратора солнечного излучения у него будут существенно меньшими.

Электростанция, выведенная на геостационарную орбиту (высота 36 тыс. км), «повиснет» над одной точкой земной поверхности и станет, круглосуточно освещаемая Солнцем, практически непрерывно вырабатывать электроэнергию и передавать ее на Землю. Солнечные энергоустановки малой мощности успешно работают на геостационарной орбите в составе спутников связи. Принципиально новой является система направленной передачи энергии по каналу «космос—Земля». Передача энергии на Землю из космоса возможна с помощью сверхвысокочастотного или лазерного излучений. Первый способ предпочтительнее по ряду причин: СВЧ-излучение беспрепятственно проникает сквозь толщу атмосферы, не боится туманов и грозовых туч. У него сравнительно низкие потери при прямом и обратном преобразовании энергии. Диаметр передающей антенны принимается равным 1 км. Излучаемый такой антенной пучок попадает на приемную антенну, диаметр которой составляет не менее 10 км. Здесь его энергия преобразовывается в электрический ток промышленной частоты, который направляется в энергосистему страны.

Преимущество лазерного метода заключается в формировании узкого луча, в малых размерах передающего и приемного устройств. Однако эффективность прямого и обратного преобразования энергии является невысокой, велики также потери лазерного излучения в атмосфере.

Суммарная эффективность процесса производства, передачи и приема энергии для всей энергосистемы, включая космическую и наземную части, оценивается в 5—20%, в том числе производство электроэнергии — 10—30%, передача-прием энергии — в 50—70%.

Для выведения с Земли на низкую опорную орбиту только одной космической солнечной электростанции потребуется не менее 200 пусков грузовых сверхмощных ракет-носителей, грузоподъемность которых составляет не менее 200 т. При развертывании и эксплуатации космической солнечной электростанции потребуются дополнительные орбитальные комплексы — грузовые и пассажирские корабли-буксиры, сборочно-монтажные и ремонтно-эксплуатационные станции, наземный центр управления системой.

Создание энергосистемы нового типа потребует больших расходов. Только разработка космической солнечной электростанции, включая НИОКР и создание первого полномасштабного образца электростанции, требует 100 млрд. долл. В эту сумму входят расходы на создание сверхмощных грузовых ракет-носителей, межорбитальных буксиров, сборочно-монтажных и ремонтно-эксплуатационных станций. Развертывание системы из 60 космических солнечных электростанций с соответствующими наземными приемными устройствами потребует дополнительно 1 трлн. (1012) долл.

При ресурсе работы каждой электростанции 30 лет, темпах ввода в эксплуатацию 2 шт/год и эксплуатационных расходах около 500 млн. долл/год на каждую электростанцию затраты на 1 кВт установленной мощности составят 4—5 тыс. долл., а коммерческая цена вырабатываемой электроэнергии 8—10 цент/кВт-ч.

Следует отметить, что возмещение затрат на разработку системы (1011 долл.) предполагается осуществлять только через 20—30 лет после начала работ. Это означает удвоение расходов из-за необходимости оплаты процентов на ссуду. Возможность выделения таких средств встретит большие трудности. Напомним читателю, что разработка технических средств по программе «Аполлон» потребовала 25 млрд. долл., а эксплуатация системы началась через 8 лет после начала работ. Изыскание этих средств в 60-е годы встретило значительные трудности, которые были преодолены политическим руководством США на волне антикоммунистической кампании под лозунгом противостояния мнимому господству СССР в космосе.

Если учесть, что установленная мощность одного кВт действующих наземных солнечных электростанций составляет не более 1000 долл., а цена производимой ими энергии 4—6 цент/кВт·ч, то может быть сделан основополагающий вывод о нецелесообразности создания космических солнечных электростанций на базе существующей и разрабатываемой техники.

В целом по результатам выполненных научно-исследовательских и проектно-поисковых работ могут быть сделаны следующие основные выводы:

  •  Создание системы космических солнечных электростанций, предназначенных для энергоснабжения наземных потребителей из космоса, представляет собой реальную, технически выполнимую задачу. Однако проблемы, которые предстоит при этом разрешить, серьезны и многочисленны.
  •  К середине XXI века с помощью космических солнечных электростанций могут быть обеспечены 10—20% потребностей в электроэнергии для промышленно развитых стран мира, а космическая энергосистема сможет стать одним из основных источников электроэнергии для человечества. Развертывание в космосе системы солнечных электростанций позволит создать базу для индустриализации космоса и разработки внеземных ресурсов, расширит возможности колонизации космоса.
  • Для реализации рассмотренных проектов крупномасштабных космических солнечных электростанций потребуются грандиозные капиталовложения, возмещение которых начнется только через 20—30 лет после начала работ. Это вызовет беспрецедентное напряжение экономики страны — разработчика системы.
  • Существующие неопределенности в прогностической оценке проектных характеристик космической энергосистемы и сопутствующих комплексов (прежде всего грузовых ракет-носителей) не позволяют с достаточной достоверностью определить технико-экономические показатели и эффективность системы. Задаваясь оптимистическими значениями удельных параметров космической электростанции, наземной приемной станции и сопутствующих комплексов, можно получить нижнюю оценку стоимости вырабатываемой электроэнергии порядка 10 цент/кВт·ч, что не позволяет обеспечить конкуренцию с традиционными энергосистемами.
  • На текущем этапе работ недопустимо мало известно об экологических аспектах программы и возможных последствиях воздействия СВЧ-излучения и пусков многочисленных ракет-носителей на здоровье людей, животный и растительный мир Земли, климат.
  • Придание программе создания космических солнечных электростанций международного характера позволит построить более эффективную систему за счет реализации оптимальных технических решений, распределить риск, улучшить перспективы сбыта, устранить возможность экономического господства страны-разработчика.
  • Предложенные в 70—80-х годах варианты экспериментальных, демонстрационных и маломасштабных космических солнечных электростанций основываются на традиционных проектно-конструктивных принципах и отличаются низкой эффективностью и существенной неэкономичностью. Маломасштабные образцы космических солнечных электростанций не позволяют обеспечить финансирование последующих этапов работ.
  • Выделение сколько-нибудь значительных финансовых ресурсов на программу космических солнечных электростанций, даже если это будет происходить в рамках международной программы, представляется в ближайшей перспективе маловероятным.



Маломасштабная космическая электростанция


Известны две альтернативные точки зрения на ход дальнейших работ по космическим солнечным электростанциям. В соответствии с первой предлагается полностью прекратить разработки по космической энергетике для наземных нужд. Согласно второй — широко развернуть научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы с целью создания полноразмерных эксплуатационных образцов электростанций.

Негативный взгляд на перспективу использования космических электростанций обосновывается дороговизной проекта, экологической неопределенностью, отсутствием эффективных, легких и дешевых преобразователей солнечной энергии в электрическую, несоответствием возможностей ракетно-космической техники выдвигаемым требованиям. Академик Ж. И. Алферов вместе с энергетиками и экономистами считает, что фактически космический вариант гелиоэнергетики давно «похоронила экономика. Идея... совершенно нереальная».

По мнению другой группы ученых, в их числе доктора физико-математических наук В. А. Ванке, Л. В. Лесков и другие, прекращение работ по космическим солнечным электростанциям было бы большой ошибкой. Все трудности, стоящие на пути практической реализации проекта, могут быть успешно преодолены. К моменту создания первых эксплуатационных образцов электростанций, а это 20-е годы XXI века, стоимость электроэнергии, вырабатываемой на Земле, может возрасти до значений 20—25 центов/кВт-ч, в связи с чем космические электростанции будут успешно конкурировать с наземными источниками энергии.

Полемика между сторонниками и противниками космической гелиоэнергетики ведется на конференциях и симпозиумах, на страницах специальных и популярных журналов. Фактически решается судьба целого направления в энергетике; ошибка в выборе пути развития солнечной энергетики может привести к многомиллиардным потерям, отразиться на судьбах грядущих поколений.

Разрешить спор непросто. По технико-экономическим показателям космическая гелиоэнергетика существенно уступает традиционным источникам энергии. Но быстро развивается наука, совершенствуется техника. То, что сегодня в производстве сложно и дорого, завтра может стать простым и дешевым.

Требуется объективно разобраться в этом сложном вопросе, в котором заинтересованные стороны занимают крайние позиции.

Первая, «нигилистическая», позиция при всей очевидной целесообразности экономики финансовых и материальных ресурсов может привести к застою в технике, так как исключает возможность технологического прорыва, предусматривающего организацию планомерного научно-технического поиска на стыках наук и соответствующее финансирование исследований. Вторая, «экстремистская», позиция предполагает создание космических электростанций небывалых габаритов и масс. Ошибочность такого подхода может быть продемонстрирована на историческом примере. Предположим, что планом ГОЭЛРО предусматривалось бы создание сети электростанций типа Красноярской ГЭС с уровнем вырабатываемой мощности 5 млн. кВт без разработки и многолетней эксплуатации Каширской, Волховской, Днепровской и др. электростанций малой и средней мощности. Очевидно, что такой план был бы обречен на неудачу. Существуют определенные закономерности при создании сложных технических систем, последовательность выполнения отдельных этапов: проведение НИОКР и экспериментов, разработка эксплуатационных прототипов малой размерности, накопление опыта, возмещение затрат на разработку и только после этого переход к созданию крупномасштабных изделий повышенной рентабельности.

Сторонники «экстремистских» взглядов не учитывают этих строгих закономерностей, они исключают из программы работ целые этапы. Предлагается иной подход к организации работ по космической гелиоэнергетике. В основу подхода положен принцип поэтапного наращивания мощностей космических солнечных электростанций с одновременным обеспечением рентабельности системы. На повестку дня встает задача разработки мало-, средне- и крупномасштабных образцов космической солнечной электростанции с уровнем вырабатываемой мощности 100 кВт, 1 МВт, 10 МВт, 100 МВт и 1000 МВт. Только после освоения малого уровня полезной мощности, получения необходимого опыта и возмещения произведенных затрат можно будет переходить к последующему этапу.

Принципиальных трудностей создания космических энергоустановок предложенного ряда нет. Сотрудниками НПО «Энергия» в настоящее время разрабатывается универсальная космическая платформа (УКП) с солнечной энергоустановкой, снабженная необходимыми для длительной работы в космосе служебными системами. На УКП может размещаться разнообразная целевая аппаратура, в том числе аппаратура, осуществляющая формирование и излучение СВЧ-пучка в направлении наземной приемной станции. В печати сообщалось, что сверхмощная ракета-носитель «Энергия» выводит на геостационарную орбиту полезный груз массой 18 т. Такая платформа может стать основой для построения малоразмерной космической солнечной электростанции полезной мощностью около 100 кВт. Проблема заключается в создании высокоэффективной системы передачи-приема энергии с приемлемыми апертурами излучающей и принимающей антенн, а также в обеспечении рентабельности энергоснабжения наземных потребителей из космоса.

Известное техническое решение высокоэффективной системы передачи-приема энергии в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн предполагает развертывание в космосе и на Земле антенн больших апертур. При дальностях передачи порядка 40 тыс. км, частоте колебаний 2,45 ГГц и КПД тракта передачи около 90% произведение диаметров передающей и приемной антенн не должно быть меньше 10 км2. Для базового варианта космической солнечной электростанции большой мощности апертуры антенн выбраны равными 1 км в космосе и 10 км на Земле. Попытка уменьшить размеры антенн для маломасштабных электростанций до приемлемых величин (например, до 30 и 300 м) приводит к катастрофическому падению КПД до значений, составляющих доли процента. Очевидно, что система направленной передачи-приема энергии для маломасштабных электростанций должна строиться на иных принципах. Разработка такой системы, использующей малые апертуры, откроет дорогу к созданию маломасштабных космических солнечных электростанций, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве.

Потребность народного хозяйства в источниках энергии малой и средней мощности велика. В пустынях, в отдаленных районах, на Крайнем Севере, на островах в Мировом океане размещаются разнообразные производства, энергоснабжение которых традиционными методами затруднено, требует больших затрат и приводит к загрязнению окружающей среды. Таким локальным производственным комплексом может быть малый рудник в Якутии, доставка топлива для энергоснабжения которого представляет собой сложную и дорогостоящую задачу. Рядом с рудником может быть развернута приемная антенна ограниченных размеров, на которую из космоса направляется энергетический луч. Рудник и жилой поселок при нем непрерывно и круглосуточно снабжаются электроэнергией из космоса. Если удельные капитальные затраты составят около 1000 долл/кВт, а цена за электроэнергию не будет превышать 50 центов/кВт-ч, то создание такой электростанции станет целесообразным.


Позволит ли экономика?

Стоимость установленной мощности космических солнечных электростанций оценивается, как уже было сказано, в 4—5 тыс. долл/кВт. По мнению некоторых специалистов, эта цифра занижена и затраты на 1 кВт установленной мощности могут возрасти до 10 тыс. долл. и более. Если учесть, что удельная стоимость альтернативных источников электроэнергии меньше (наземные солнечные электростанции— 1 тыс. долл/кВт, термоядерные электростанции — 2—3 тыс. долл/кВт), то целесообразность создания космической энергосистемы становится сомнительной. При этом возникает вопрос - почему при всех очевидных преимуществах утилизации солнечной энергии в космосе экономическая эффективность энергосистемы оказывается невысокой?

Рассмотрим основные системы космической солнечной электростанции — солнечный коллектор и систему передачи-приема энергии, а также средства выведения электростанции в космос — грузовые сверхмощные ракеты-носители. Стоимость широко применяемых на практике фотоэлектрических преобразователей, предназначенных для работы в космосе, более чем на порядок превышает стоимость своих наземных аналогов. Это вызвано необходимостью обеспечить радиационную стойкость, применением дорогостоящих материалов, усложнением технологического процесса производства элементов, малой производительностью действующих технологических линий. С развитием космической гелиоэнергетики разница в стоимостях, вероятно, будет сокращаться; цены на фотоэлектрические преобразователи одной площади для наземного и космического применений будут отличаться в 2 или 3 раза.

Технически реализуемая и высокоэффективная беспроводная линия передачи-приема энергии в СВЧ-диапазоне волн предполагает развертывание антенн большой апертуры (диаметры 1 км и 10 км соответственно). Производство и создание в космосе и на Земле подобных циклопических сооружений потребует многомиллиардных затрат, которые для наземных электростанций полностью отсутствуют, ибо генерируемая электроэнергия непосредственно поступает в промышленную сеть. Уменьшение апертур излучающего и приемного устройств, снижение удельной массы СВЧ-генераторов и их стоимости позволили бы значительно сократить удельные капитальные затраты.

Выведение элементов космической солнечной электростанции с Земли на геостационарную орбиту стоит дорого. Сегодня стоимость выведения полезного груза с Земли на низкую опорную орбиту составляет около 10 тыс. долл/кг. Предположим, что в результате прогресса в ракетной технике эта стоимость уменьшится на два порядка и составит 100 долл/кг. Тогда при удельной массе космической солнечной электростанции 10 кг/кВт (масса 50 тыс. т, полезная мощность — 5 млн. кВт) относительная стоимость выведения в космос одного киловатта мощности составит 1000 долл/кВт. Таким образом, только выведение элементов солнечной электростанции на низкую орбиту потребует расходов, равных полным капитальным затратам при создании наземных солнечных электростанций. При этом принятая удельная стоимость выведения (100 долл/кг) является недопустимо заниженной. Парадокс заключается в том, что достижение даже этих предельных технико-экономических показателей не позволит конкурировать с наземными солнечными электростанциями. Требуется дополнительное снижение затрат на выведение грузов в космос, причем для обеспечения конкурентоспособности необходимо довести стоимость транспортировки грузов до значений 20—30 долл/кг, что практически неосуществимо на основе реактивных принципов разгона макротел в гравитационном поле Земли.

Внимательный читатель, вероятно, обратил внимание на разницу в удельных параметрах космической солнечной электростанции и транспортных систем. Если в проект полномасштабной электростанции большой мощности (5 млн. кВт) заложены характеристики, достигнутые на летных или экспериментальных образцах (КПД солнечных батарей — 12%, КПД передачи-приема энергии — 60%, удельная масса солнечного коллектора — 0,5 кг/м2), то удельные параметры транспортной системы близки к предельным, возможность и сроки достижения которых в настоящее время неясны. Причина этого заключается в отсутствии какого-либо опыта разработки и эксплуатации солнечных электростанций и в значительном заделе по ракетам-носителям, позволяющем прогнозировать совершенствование средств выведения, а также в прямом влиянии стоимости выведения на капитальные затраты по космической энергосистеме.

Для определения возможности создания полномасштабных космических солнечных электростанций и высокоэффективных ракет-носителей низкой стоимости требуется проведение большого объема научно-исследовательских и экспериментальных работ, что отодвигает сроки начала реализации программы далеко за 2000 г.