«Техника-молодежи» 1981 №3, с.2-8
1. К СОЛНЕЧНОЙ ЭРЕ ЭНЕРГЕТИКИ
Создание атомной техники по праву признано революцией в энергетике, и ее творцы не без оснований утверждают, что сердцевиной энергетики будущего должна стать и станет атомная энергия. Так можно ли в этих условиях вести речь о каком-то «солнечном веке» энергетики? Да, еще совсем недавно такие разговоры были бы безосновательны. Но сегодня при быстром сокращении легкодоступных запасов нефти и газа и постоянном ужесточении требований к химической, радиационной и тепловой чистоте энергопроизводства уже очевидно, что скоро развитие земной энергетики будет сдерживаться не техническими, а экологическими барьерами, и мощные термоядерные электростанции скорее всего придется располагать вне Земли. В то же время идет быстрое совершенствование процессов улавливания и преобразования абсолютно чистой во всех отношениях солнечной энергии.
Еще более замечательные перспективы открываются перед солнечной энергетикой в космосе. Не случайно о развитии этого направления очень заботился, будучи руководителем советской космической программы, академик М. В. Келдыш. «На совещаниях у него, — вспоминает академик В. С. Авдуевский, — не раз рассматривались различные варианты конструкций орбитальных солнечных электростанций, способы выведения и сборки в космосе, вопросы создания пленок для солнечных батарей, проблемы преобразования энергии и передачи ее на Землю с учетом охраны окружающей среды и экономического эффекта».
В наши дни проблема овладения солнечной энергией космоса становится одним из основных стимулов развития внеземного производства, подобно тому как в конце прошлого века она послужила основой самого рождения научной космонавтики. Тогда К. Э. Циолковский поразился общеизвестному факту, что почти вся энергия Солнца пропадает бесполезно для людей, и целеустремленно стал искать способ овладения всей этой энергией. В результате им была создана теория реактивного движения и изобретена ракета на жидком топливе как реальное средство осуществления космических полетов. Мечта о полете к звездам превратилась в науку — теоретическую космонавтику. Опубликованную в 1912 году вторую часть своей основополагающей работы «Исследование мировых пространств реактивными приборами» Циолковский завершил словами: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле.
Лучшая часть человечества, по всей вероятности, никогда не погибнет, но будет переселяться от солнца к солнцу по мере их погасания»...
Исторический оптимизм ученья Циолковского вдохновил многих на самоотверженный труд по осуществлению его идей. А в СССР после победы Октября эти идеи получили всенародное признание, по всей стране стали возникать кружки, общества, группы по изучению межпланетных сообщений и реактивного движения. Проблеме стали уделять внимание дипломированные инженеры и ученые. Один из них, академик Д. А. Граве, в 1925 году посчитал необходимым ободрить энтузиастов космонавтики своим авторитетным приветствием, в котором писал: «Кружки исследования и завоевания мирового пространства встречают несколько скептическое к себе отношение во многих общественных кругах. Людям кажется, что дело идет о фантастических необоснованных проектах путешествий по межпланетному пространству в духе Жюля Верна, Уэллса или Фламмариона и вообще других романистов.
Профессиональный ученый, скажем, например, академик, конечно, не может стоять на этой точке зрения.
Мое сочувствие к вашему кружку покоится на серьезных соображениях. Уже пять лет тому назад я указывал на страницах газеты «Коммунист» на необходимость использовать электромагнитную энергию Солнца. При этом я руководствовался не какими-нибудь фантастическими соображениями, а неумолимой логикой совокупности фактов...
Единственный способ практического подхода к использованию электромагнитной энергии Солнца намечен русским ученым К. Э. Циолковским при помощи реактивных приборов или межпланетных аппаратов, которые вполне уже разработаны для этих целей и являются реальной действительностью завтрашнего дня. Так что организация данных кружков своевременна и целесообразна».
Сам Циолковский и его последователи, кроме исходной цели овладения энергией Солнца, выявили для космонавтики множество других, сравнительно более просто достижимых и потому более актуальных целей и задач по исследованию и освоению космического пространства в интересах науки и народного хозяйства, ставших основным стимулом для бурного развития ракетно-космической техники. Но основоположник космонавтики постоянно обращал внимание и на проблемы, связанные с решением исходной цели. Вот фрагменты его работ.
1920 год. Электрический ток можно получать в эфире теми же разнообразными способами, как и на Земле. Непосредственно с помощью солнечной теплоты, при посредстве термоэлектрических батарей. Последнее будет неэкономично, хотя со временем, может быть, найдут такие вещества для термоэлектрических батарей, которые почти всю теплоту Солнца будут превращать в электричество.
Надежнее для добывания электричества солнечные двигатели, которые могут утилизировать очень высокий процент (до 50 и более) солнечной энергии. Сущность их устройства такая же, как обыкновенных паровых двигателей с холодильником... Как и на Земле, большой многосильный двигатель почти целиком превращает свою энергию с помощью динамо-машины в электричество.
1926 год. Мы можем достигнуть завоевания солнечной системы очень доступной тактикой. Решим сначала легчайшую задачу: устроить эфирное поселение поблизости Земли, в качестве ее спутника... Поселившись тут устойчиво и общественно, освоившись хорошо с жизнью в эфире, мы уже более легким путем будем изменять свою скорость, удаляться от Земли и Солнца, вообще разгуливать, где нам понравится. Энергии же кругом великое изобилие в виде никогда не погасающего, непрерывного и девственного лучеиспускания Солнца. Этой энергии сколько угодно, и улавливать ее нетрудно в огромном количестве протянутыми от ракеты проводниками или иными неизвестными средствами...
1927 год. Солнечная энергия — главное; только мы не умеем ею пользоваться, и мешает тому еще атмосфера, ничтожное население (Циолковский считал, что население Земли в будущем должно возрасти во много раз. — Примеч. ред.), незнание и прочее. Эта энергия подобна электрической, и потому найдут средства ее почти целиком переводить в механическую, химическую и прочие виды энергии. Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом. Да и надолго ли хватит минерального горючего?
1929 год. Какие выгоды может извлечь человечество из доступности небесных пространств? Многие воображают себе небесные корабли с людьми, путешествующими с планеты на планету, постепенное заселение планет и извлечение отсюда выгод, какие дают земные обыкновенные колонии. Дело пойдет далеко не так. Главная цель и первые достижения относятся к распространению человека в эфире, использованию солнечной энергии и повсюду рассеянных масс. Из них создается сфера, которую может занять человек! На двойном расстоянии от Солнца она в 2,2 миллиарда раз больше всей поверхности Земли. Во столько же раз эта сфера получает больше и солнечной энергии сравнительно с Землей.
И вот началась предсказанная Циолковским космическая эра человечества. Хотя полеты первых спутников преследовали чисто научные цели, они вдохнули новую жизнь и в солнечную энергетику. Уже в 1958 году третий советский и первый американский спутники были оснащены солнечными батареями. С ними в реальных многомесячных условиях космического полета не мог конкурировать никакой другой источник энергии. С развитием практической космонавтики шло быстрое совершенствование и солнечных генераторов. Опыт работы орбитальной станции «Салют-6» показал, что проблема снабжения электроэнергией очень энергоемкого оборудования современных космических аппаратов за счет солнечной энергии полностью разрешена. Успехи космонавтики открыли перспективы создания в будущем грандиозных космических солнечных электростанций (КЭС) для снабжения энергией не только аппаратов и сооружений, работающих на орбитах, но и Земли.
Мы уже немного писали о проектах КЭС (см. «ТМ», № 3 за 1973 год), представляя их как возможную к 2050 году, но маловероятную из-за низкой экономической эффективности область развития космической техники. Но представления меняются. На сегодня сформировалось мнение, что энергетические потребности человечества могут сделать рентабельными КЭС уже в самом начале XXI века. В результате эта тема превратилась в одну из наиболее обсуждаемых на международных и национальных конгрессах и симпозиумах по космонавтике. Например, на Циолковских чтениях 1980 года было 5 научных докладов по КЭС.
XXVI съезд КПСС поставил задачу, с одной стороны, сосредоточить усилия на дальнейшем изучении и освоении космического пространства в интересах развития науки, техники и народного хозяйства, а с другой — увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии. Выполнение его решений, несомненно, приблизит время «солнечной эры» энергетики.
 Космические солнечные электростанции с термодинамическим (сверху) и фотоэлектрическим способами преобразования лучистой энергии Солнца в электричество. Наземные и космические комплексы, сопутствующие КЭС. 1 и 2 — КЭС с ректенной, 3 и 4 — РН, 5 — 8 — сборка КЭС, 9 — центр управления. |  |
СЕРГЕИ ГРИШИН, доктор технических наук, профессор
ЕВГЕНИЙ НАРИМАНОВ, инженер
Основное преимущество солнечной энергии состоит не только в том, что ее источник практически неисчерпаем, но и в том, что в экологическом отношении она совершенно чиста, то есть не загрязняет окружающую среду вредными для всего живого продуктами и гибельной радиацией. Энергия Солнца огромна по своим масштабам. Достаточно сказать, что падающий на Землю в течение одной минуты свет несет энергию, равную вырабатываемой всеми электростанциями СССР за полтора года.
В ограниченных масштабах солнечная энергия уже используется, например, для нагревания воды и обогревания жилищ. В удаленных районах нашей страны работают сотни небольших солнечных электростанций. Они питают береговые маяки и бакены, дают энергию метеостанциям и водоподъемникам, помогающим осваивать пустыни. Правда, вырабатываемое ими электричество в 500 и более раз дороже, чем на тепло— и гидроэлектростанциях. Это существенно сдерживает развитие наземной солнечной энергетики. Однако специалисты видят возможность снижения стоимости вырабатываемой наземными солнечными электростанциями энергии на один-два порядка, если сюда будут приложены значительные усилия и материальные затраты. Но наземная солнечная энергетика, очевидно, в любом случае сможет играть только вспомогательную роль. Другое дело, если солнечные электростанции становятся космическими.
Сбор лучистой энергии Солнца в космосе, преобразование ее в электрическую и передача на Землю для использования в народном хозяйстве имеют принципиальные преимущества по сравнению с ее улавливанием наземными установками. Среди них повышенный уровень солнечной радиации, непрерывность процесса производства энергии, возможность развертывания в космосе сооружений грандиозных размеров, уменьшение расхода конструкционных материалов, минимальное влияние на окружающую среду в процессе эксплуатации системы. Вслед за К. Э. Циолковским, первым указавшим, на эти преимущества, большое внимание проблемам освоения энергии Солнца в космическом пространстве уделяли Н. А. Рынин и М. К. Тихонравов.
В настоящее время солнечная энергия в космосе используется на космических аппаратах для обеспечения жизнедеятельности экипажа и энергоснабжения аппаратуры. Ведутся работы по использованию солнечной энергии для питания маршевых электрореактивных двигателей (ЭРД) космических аппаратов, предназначенных для полета в труднодоступные области межпланетного пространства.
Идею электроснабжения Земли с помощью космических солнечных электростанций путем передачи энергии по радиолучу, насколько нам известно, впервые высказал известный популяризатор космической техники летчик-инженер Н. А. Варваров. В серии своих статей, опубликованных в «Технике — молодежи» через два с половиной года после запуска первого искусственного спутника Земли и посвященных перспективам использования космических аппаратов в народнохозяйственных целях, Николай Александрович писал: «...когда люди научатся передавать электроэнергию из космоса на Землю без проводов, подобно тому как сегодня осуществляется связь по радио, творческая мысль человека направит свои усилия на создание космических гелиоэлектростанций, снабжающих жителей Земли электроэнергией в неограниченном количестве» («ТМ», № 3, 1960 год, с. 34).
В дальнейшем американский ученый П. Глазер в своих работах 1968—1971 годов конкретизировал проектный облик КЭС, включая систему направленной передачи энергии из космоса на Землю в СВЧ диапазоне волн. Он же предложил для размещения электростанций стационарную орбиту. В настоящее время крупнейшие американские аэрокосмические корпорации Боинг, Рокуэлл Интернэйшнл и другие разрабатывают технические проекты КЭС и сопутствующих им наземных и космических комплексов, привлекая к работам радиотехнические, электронные и электротехнические фирмы.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КЭС
Проектный облик КЭС в настоящее время в основном определился. Это грандиозные сооружения, не имеющие аналога в истории космической техники. При полезной мощности в 5 млн. кВт масса станций на рабочей орбите оценивается в 20—60 тыс. т в зависимости от способа преобразования лучистой энергии Солнца в электрическую и массового совершенства энергоустановки и системы направленной передачи энергии из космоса на Землю.
Использование фотоэлектрического способа непосредственного преобразования лучистой энергии Солнца в электрическую на основе полупроводниковых солнечных элементов, обладающих коэффициентом полезного действия в диапазоне 10—20%, приводит к необходимости улавливания большого количества лучистой энергии, что влечет за собой построение солнечных коллекторов большой площади.
Турбомашинный, или, как его иначе называют, термодинамический, способ преобразования энергии солнечной радиации в электрическую с помощью системы — солнечная печь, турбина, генератор — характеризуется предварительным преобразованием лучистой энергии в тепловую. КПД турбомашинного способа может быть доведен до 40% и более, что приводит к уменьшению поверхности солнечного концентратора — устройства, обеспечивающего фокусирование солнечных лучей на теплоприемнике. В результате этого габариты солнечной электростанции с турбо-машинным способом преобразования оказываются умеренными, однако использование металлоемких систем — турбины, радиаторов, электрогенератора — приводит к возрастанию массы электростанции.
Передача энергии на Землю может быть осуществлена СВЧ лучом или лазерным лучом. Первый способ характеризует благоприятные условия прохождения луча через атмосферу, высокие КПД прямого и обратного преобразования, возможность использования созданных и отработанных СВЧ приборов. Преимущество лазерного метода заключается в возможности формирования узкого луча, малых размерах передающих и приемных устройств. Однако эффективность прямого и обратного преобразований в этом случае невысока, кроме того, поглощение лазерного излучения атмосферой может привести к снижению КПД передачи до недопустимого уровня. В целом передача энергии из космоса на Землю СВЧ лучом представляется на сегодняшний день предпочтительнее.
Для сборки, развертывания, доставки на рабочие орбиты и обслуживания КЭС в космосе потребуется создание специальных сборочно-монтажных, воздушно-космических и межорбитальных транспортных и эксплуатационных космических комплексов. В сочетании с наземной приемной станцией — ректенной (выпрямляющей антенной), наземным пунктом управления и грузовыми и пассажирскими ракетами-носителями сопутствующие космические комплексы образуют целую систему объектов вокруг КЭС. Создание всех этих комплексов представляет собой не менее сложную задачу, чем создание самих КЭС. Ключом к решению всей проблемы будут грузовые сверхмощные ракеты-носители (РН), с помощью которых элементы КЭС должны выводиться с Земли на низкую околоземную орбиту отдельными квантами массой от 100 до 600 т.
Эксплуатируемые в настоящее время ракеты-носители являются одноразовыми; это означает, что их ступени, выполнив свои задачи, падают на Землю и безвозвратно теряются либо почти полностью сгорают в атмосфере. При этом каждый запуск требует новой ракеты-носителя, чем и объясняется большая стоимость выведения полезного груза в космос — около 2000 долл./кг. Стоимость выведения складывается из расходов на создание материальной части РН, стоимости ракетного топлива, затрат на обслуживание РН на стартовой позиции.
В настоящее время ученые и инженеры изучают возможности использования многоразовых РН, с помощью которых ожидается существенное снижение стоимости выведения полезного груза. Каждая ступень, выполнив свою задачу, должна будет совершать мягкую посадку на Землю, вновь доставляться на стартовую площадку, ремонтироваться, заправляться и опять использоваться. Расчеты показывают, что уже с помощью частично многоразового носителя ожидается снижение стоимости выведения до 500 долл./кг, переход на полностью многоразовые РН, построенные с учетом новейших достижений двигателестроения, материаловедения, теории конструкций и других направлений ракетно-космической техники, позволит довести стоимость выведения полезного груза до величин 10—50 долл./кг. РН для выведения КЭС и других крупногабаритных объектов исключительно сложна. Можно представить, что перспективный сверхмощный носитель конца XX века будет одноступенчатой ракетой баллистического типа с двигательной установкой, работающей на жидком водороде и кислороде.
Стартует она вертикально и вертикально же совершает посадку на озеро, расположенное в районе стартовой позиции, откуда буксируется на старт для профилактического осмотра, ремонта и заправки. При массе полезного груза 250 т ее стартовая масса составит 6 тыс. т, сухая масса — 350 т. Для сравнения укажем, что стартовая масса РН — «Восток» составляла около 300 т при сухой массе 25 т и массе полезного груза порядка 5 т.
С помощью сверхмощных, высокоэффективных РН на низкую опорную орбиту планируется за год доставить все составные элементы одной КЭС, а также космические межорбитальные комплексы с необходимыми запасами топлива. Грузопоток с Земли в космос в объеме 500 т/сут может быть обеспечен с помощью системы из двух сверхмощных РН.
С учетом сказанного создание КЭС на околоземных орбитах представляет собой реализуемую задачу, на пути решения которой нет принципиальных теоретических трудностей. Однако с учетом большого объема финансовых и материальных затрат, серьезных экономических и социальных последствий задача является проблемой большого масштаба, решение которой должно осуществляться на основе международного сотрудничества. КЭС обещают принести значительную прибыль в случае разработки и создания космических и наземных технических комплексов с оптимальными параметрами. Для достижения этого требуется радикальное снижение стоимости производства солнечных элементов, резкое сокращение затрат на выведение полезных грузов на рабочие орбиты, разрешение возникающих экологических проблем и вопросов безопасности при развертывании и эксплуатации электростанций в космосе.
Лунно-орбитальный производственный комплекс по созданию КЭС. КЭС на внутренней гелиоцентрической орбите. |  |  |
ОСНОВНЫЕ ТРУДНОСТИ НА ПУТИ СОЗДАНИЯ КЭС
Хотя сами КЭС и будут давать чистую энергию, на пути развертывания в космосе их большого числа, достаточного для создания изобилия энергии на Земле, стоят не только ресурсные, но и экологические ограничения, связанные с особенностью эксплуатации ракетно-космических систем. По расчетам специалистов, создание системы КЭС позволит транслировать на Землю электроэнергию полезной мощностью 1,5 млрд. кВт, что соответствует прогнозной оценке всего мирового производства электроэнергии в 2000 году. При единичной мощности серийной КЭС в 10 млн. кВт число эксплуатируемых станций должно составить 150 единиц. Общая масса станций, составленная массами солнечных батарей, алюминиевых конструкций, распределительных сетей, электронных приборов и других элементов, будет фантастической — 5—10 млн. т. Для выведения этого груза и средств орбитальной транспортировки на низкие околоземные орбиты с помощью сверхмощных РН потребуется ракетного топлива суммарной массой порядка 200—400 млн. т. Массы необходимых полупроводниковых материалов и компонентов ракетного топлива превышают прогнозные оценки их мирового производства на несколько порядков. Следует учитывать также большой объем первоначальных энергозатрат, связанных с производством полупроводниковых материалов для солнечных батарей, алюминия для силовой конструкции, электронных приборов, жидкого водорода и т. д. Для возмещения электроэнергии, затраченной на производство и выведение одной КЭС, потребуется ее работа в течение двух лет.
Выведение элементов КЭС с Земли на низкие околоземные орбиты с помощью высокоэкономичных, сверхмощных РН будет сопровождаться засорением атмосферы горячими продуктами сгорания ракетного топлива. Учитывая несовершенство технологических процессов производства на Земле топлива и элементов конструкции КЭС (полупроводниковых фотопреобразователей, силовых элементов, приборов), следует ожидать при этом значительных тепловых выбросов в атмосферу (до 1015 ккал при производстве и выведении только одной КЭС). Это чревато серьезными экологическими нарушениями, изменением установившегося равновесия глобальных атмосферных процессов. Таким образом, ресурсные и экологические ограничения представляют собой весьма серьезные проблемы, стоящие на пути перевода мировой энергетики в новое русло.
ВЫХОД — В РАЗВИТИИ КОСМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Одним из возможных путей преодоления трудностей является использование для строительства КЭС материалов Луны и астероидов. По оценкам специалистов, космическая электростанция на 90% может быть изготовлена из лунных и других внеземных материалов. В этом случае отпадает необходимость в выведении с Земли больших полезных грузов и, следовательно, в наземном производстве большого количества ракетного топлива, снимается проблема засорения атмосферы его продуктами сгорания. Однако в космическом пространстве должны быть созданы эффективные системы добычи, переработки и транспортировки сырья, производственные и сборочные комплексы, что потребует, в свою очередь, создания орбитальных станций с большой численностью экипажа, лунных баз и станций и, следовательно, выведения с Земли полезных грузов большой массы. К сожалению, расчеты показывают, что при строительстве КЭС из внеземных материалов сырьевая и экологическая проблемы в значительной степени остаются в силе.
Существует принципиально иной способ разрешения главного ограничения, стоящего на пути широкого развития космических энергетических систем. Идея этого способа заключается в том, что КЭС создаются не у Земли, а в областях околосолнечного пространства с повышенным уровнем солнечной радиации, то есть в приближении космической электростанции к светилу на расстояние орбиты Меркурия и даже ближе. Ведь известно, что если у Земли мощность потока лучистой энергии Солнца, падающей на один квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно к лучам (солнечная постоянная), равна 1,4 кВт/м2, то на расстоянии 0,1 астрономической единицы от Солнца уже 140 кВт/м2. Это означает, что при выведении КЭС на круговую орбиту вокруг Солнца радиусом около 15 млн. км солнечных батарей будет на два порядка меньше, чем у электростанции той же мощности на геостационарной орбите. Соответственно снизятся и массовые характеристики энергоустановки КЭС.
Доставка КЭС на близкую к Солнцу орбиту может быть осуществлена на гелиоцентрическом участке полета самовыведением с использованием электрореактивных двигателей, питаемых солнечной энергоустановкой станции. Передача энергии с КЭС на приемные наземные или орбитальные устройства может выполняться с помощью луча лазера. Успехи в разработке сверхмощных квантовых генераторов непрерывного действия позволяют рассчитывать на создание в будущем систем, обеспечивающих передачу и прием энергии на астрономических расстояниях. Если предположить, что угол полураствора луча лазера может быть в будущем доведен специальными средствами фокусировки до значений порядка 10—9 радиана, размеры передающей и приемной систем не будут достигать больших значений. Следует учитывать, что наведение и управление лазерным лучом на астрономических расстояниях представляют исключительные трудности, однако все они носят в основном технический характер. Проблематичными явятся также и организация обслуживания и ремонта удаленной от Земли КЭС, обеспечение круглосуточности энергоснабжения и многие другие вопросы. Однако снижение потребной массы КЭС на два порядка настолько велико, что может существенно ускорить использование космических электростанций в энергетике мира.
Интерес представляет также предложение о вынесении приемных устройств с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществлять эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн. При этом резко сократятся размеры передающих и приемных антенн, существенно снизятся затраты на создание системы приема и передачи энергии. Подъем приемной антенны предполагается осуществить с помощью аэростатических аппаратов (дирижаблей) большой грузоподъемности, управляемых автоматически.
Разработка КЭС представляет собой сложнейшую задачу, относящуюся к различным научным дисциплинам — космонавтике, ракетостроению, энергетике, электронике, электротехнике, материаловедению, экономике, экологии. Все эти отрасли в настоящее время находятся в стадии бурного развития. Нет сомнений в том, что ученые и инженеры найдут эффективные способы преодоления трудностей, стоящих на пути создания космических энергетических комплексов.
Анализ проектных характеристик КЭС различного типа с учетом достижений развивающейся науки и техники потребует проведения масштабных исследований, поиска новых нестандартных решений. Эта увлекательная и благодарная работа ляжет на плечи тех, кто сегодня за школьной партой усваивает начальные премудрости наук, кого вдохновят на трудную и кропотливую работу величественные цели достижения изобилия материальных благ для всех людей планеты.
3. КЭС С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИКОВ
ЕВГЕНИЙ ВАСИЛЬЕВ, доктор технических наук, профессор
БОРИС БЕЛЯЕВ, старший научный сотрудник
Создание космических солнечных электростанций настолько непростое дело, что вновь и вновь возникает вопрос, почему бы подобные солнечные станции не строить на Земле. Но цифры неумолимы:
интенсивность потока солнечной энергии в космосе равна 1,4кВт/м2; в ясную погоду максимум солнечного потока на Земле в 1,2 раза меньше; средняя интенсивность света в 3 раза меньше максимальной за счет смены дня и ночи; дополнительно интенсивность уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей в зависимости от широты местности и значительно снижается в облачную погоду.
Таким образом, в южных широтах СССР, в местности с почти круглогодичной безоблачностью, средняя интенсивность светового потока не превышает 20% интенсивности в космосе.
Оценим теперь потери при работе КЭС. Они будут определяться, во-первых, КПД преобразования энергии постоянного тока в СВЧ излучение, равным 0,8—0,9, во-вторых, КПД передачи СВЧ излучения от антенны в космосе к антенне на Земле, зависящим от экономической целесообразности использовать для преобразования в промышленный ток окраинные области главного лепестка СВЧ излучения, (примерное значение 0,9) и, наконец, КПД преобразования СВЧ излучения в промышленный ток, значение которого в перспективных преобразователях достигнет 0,85.
Из этих числовых данных следует, что КЭС может дать выигрыш по энергетике в 3 раза по сравнению с наземной солнечной электростанцией при равных площадях солнечных батарей. Дополнительным и очень существенным преимуществом КЭС является возможность направить энерголуч в любой пункт Земли, в то время как наземная солнечная электростанция привязана к местам с малой средней облачностью.
В наш век повсеместного распространения бытовой радиоаппаратуры функциональное назначение таких компонентов КЭС, как источник постоянного тока, генератор СВЧ колебаний, антенна, понятно в общих чертах широкому кругу читателей. Поэтому остановимся на некоторых характерных особенностях КЭС, обусловленных ее наиболее новой относительно других радиоустройств целевой функцией — передачей с высоким КПД энергии на большое расстояние без проводов.
Задача, которая возлагается на антенну КЭС, — сосредоточить основную часть энергии излучения в узком телесном угле с тем, чтобы основная часть энергии излучения попала на Землю в заданную площадку.
Теория и практика показывают, что для создания узкого луча необходима прежде всего антенна больших размеров. Расчеты по КЭС дают размер антенны, превышающий не менее чем в 100 раз размер крупнейшей антенны, сооруженной до сих пор на Земле. Столь большую антенну можно реализовать как совокупность большого числа антенн меньшего размера. Поскольку предполагается создание КЭС, соизмеримых по мощности с крупнейшими современными гидростанциями, то конструктивно она должна состоять из сотен тысяч однотипных модулей, каждый из которых содержит свой генератор и антенну. Однако антенной системы большого размера еще недостаточно для формирования узкого энерголуча. Если представить, что антенны модулей станции расположены в плоскости, перпендикулярной направлению в пункт приема энергии на Земле, то для формирования узкого энерголуча необходимо, чтобы генераторы всех модулей станции работали синхронно, то есть моменты прохождения через нули и максимумы синусоидального напряжения, вырабатываемого генераторами на разных модулях, совпадали. В иной формулировке генераторы всех блоков должны работать синфазно. Но расположить антенны модулей в одной плоскости не удастся — этому препятствуют неизбежные погрешности монтажа и неизбежные колебания рамы, на которой крепятся модули станции. Поэтому генераторы станции должны работать не синфазно, но с таким сдвигом фаз, который бы компенсировал отклонение расположения блоков станции от плоскости, перпендикулярной к главному направлению излучения. Для выполнения этой задачи в блоках станции предусматривается система автоподстройки фазы. Кроме того, на Земле по краям антенного поля, собирающего энергию, размещаются вспомогательные антенны, излучающие сигнал в сторону КЭС. Измерение фазы этого сигнала на каждом из модулей КЭС позволило бы системе автоподстройки обеспечить нужный сдвиг фаз в СВЧ генераторах блоков КЭС.
Однако измерение фазы синусоидального напряжения возможно лишь при наличии некоторого опорного, эталонного синусоидального напряжения, имеющего условно нулевую фазу. Задача формирования на всех блоках станции синфазного опорного напряжения является весьма сложной в связи с тем, что погрешности монтажа и колебания рамы заставляют считать положение блоков в пространстве в определенной мере случайным. Решение этой задачи пока не найдено. До сих пор в радиотехнике такой задачи не возникало, а ее появление обусловлено огромными размерами антенной системы КЭС. В то же время нет сомнения, что эта увлекательная для радиоинженера задача будет решена.
Трудные вопросы возникают и в отношении наземной части КЭС. Проблемной задачей здесь является способ преобразования СВЧ излучения в промышленный ток. Тривиальное с научной стороны решение — это сочетание большого числа выпрямителей на основе ректенны — антенны в виде линейного вибратора, диода и фильтрующей цепи. Большое число выпрямителей и тип антенны в ректенне диктуются маломощностью полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ. Для получения с ректенны мощности в 10 млн. кВт необходимо, чтобы она содержала 2·1010 выпрямителей. Хотя это число и выглядит весьма внушительно, оно не безнадежно велико для практической реализации ректенны. Действительно, в заводских условиях можно было бы изготавливать однотипные блоки размером 1X1 м, из которых затем собирается ректенна. Число таких однотипных блоков при длине волны, равной 10 см, окажется равным 50 млн. — для массового производства это не очень большая величина (например, разнотипной обуви выпускается в СССР 750 млн. пар в год). Однако коммутация столь большого числа блоков с целью получения высоковольтного напряжения, приемлемого для линий электропередачи, представляет сложную инженерную проблему. Итак, принципиальная схема КЭС ясна, и с точки зрения технических возможностей можно было бы приступить к ее конструктивной разработке уже сегодня. Вопрос — нужно ли это делать? — упирается в экономические показатели КЭС.
Дневное и ночное положение КЭС на околоземной орбите. |  |
Капитальные вложения при строительстве тепловых и атомных электростанций близки, а конкретные числовые данные существенно зависят от места строительства, типа реактора, мощности энергоблоков станции. Ориентировочно удельные капиталовложения могут быть определены в пределах 0,2—0,4 тыс. руб./кВт. При этом себестоимость электроэнергии равна 0,6—0,8 коп./кВт·ч. Срок службы станции без капитального ремонта оценивается в 30 лет; за этот срок на производство 1 кВт затраты составят 1,5—2,0 тыс. руб. Таким образом, сумма капитальных затрат и себестоимости за 30 лет становится равной 1,7—2,4 тыс. руб./кВт.
Если КЭС стали бы сооружать при современном уровне технологии, то капиталовложения возросли бы до суммы в 300 тыс. руб./кВт при себестоимости 250 тыс. руб. за 1 кВт в течение 30 лет.
Таким образом, электроэнергия гипотетической современной КЭС стоила бы в 200 раз дороже электроэнергии на ТЭС или АЭС. Однако вывод об экономической нецелесообразности КЭС был бы преждевременным. Дело в том, что прогресс науки и техники может резко изменить размеры капиталовложений. Например, Братская ГЭС по капиталовложениям на 1 кВт стоила вдвое дешевле Волжской и Куйбышевской ГЭС, а Красноярская ГЭС стоила вдвое дешевле Братской. Еще более разительный контраст в эволюции стоимости компонентов КЭС. За 20 последних лет вес солнечных батарей единичной мощности снизился в 18 раз, а стоимость — в 20 раз. Но именно стоимость солнечных батарей и их подъема на орбиту определяет львиную долю стоимости всей КЭС. Процесс удешевления не остановился — по зарубежным данным, к 1985 году стоимость 1 кВт солнечных батарей должна быть снижена в 10 раз относительно современного уровня. По прогнозам специалистов, вес тонкопленочных батарей можно в перспективе снизить в 50 раз.
Если проявить осторожность в прогнозировании успехов транспортных средств космонавтики и взять при расчете 10-кратное уменьшение стоимости вывода на орбиту, а также учесть вышеназванные перспективные данные по стоимости солнечных батарей и их весу, то стоимость солнечных батарей на орбите приблизится к стоимости других компонентов станции. Удельные капиталовложения такой перспективной КЭС составят 1,5 тыс. руб./кВт.
Себестоимость электроэнергии КЭС определяется главным образом частотой выхода солнечных батарей из строя за счет разрушения их микрометеоритами и жестким излучением Солнца. Ориентируясь на 30-летний срок работы КЭС, можно полагать, что сумма капиталовложений и себестоимости будет равна 2,4 тыс. руб./кВт, что уже сопоставимо с современными затратами на производство электроэнергии. Но в связи с переходом на разработки все менее богатых месторождений энергетического сырья, со временем перспективная КЭС станет предпочтительней в экономическом отношении, и, следовательно, поисковая работа в настоящее время над ключевыми проблемами создания КЭС является актуальной. Этими ключевыми проблемами являются: создание мощных, эффективных преобразователей электромагнитного поля в постоянный ток; улучшение электрических, конструктивных и экономических характеристик солнечных батарей.