Фотоэлектрические СКЭС

Отмеченные ранее достоинства и возможности дальнейшего совершенствования фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, их широкое и успешное применение в качестве источников электроэнергии на современных КА явились причинами разработки большого количества проектов СКЭС на основе преобразователей именно этого типа.

Первым из них является проект, разработанный группой фирм под руководством П. Глейзера [85], который в 1968 г. предложил и в 1973 г. запатентовал [84, 86] техническое решение фотоэлектрической СКЭС. Конструктивнокомпоновочная схема СКЭС в процессе развития этого проекта несколько раз видоизменялась и в конечном итоге была выбрана базовая конструкция, изображенная на рис. 4.10, а.

СКЭС состоит из двух прямоугольных СБ размером приблизительно 5x6 км л расположенной между ними передающей СВЧантенны диаметром около 1 км, которая укреплена на центральной мачте станции, используемой для сбора и передачи электроэнергии. Антенна соединена с мачтой шарнирным устройством с токосъемными контактными кольцами, позволяющими поворачивать'ее вокруг мачты на 360° и в перпендикулярном направлении на +8°. СБ связаны между собой непрерывной несущей конструкцией, изготовленной иэ диэлектрика, что позволяет, в частности, исключить взаимодействие СВЧизлучения с элементами конструкции при вращении антенны.

В данном проекте СКЭС предполагалось использовать кремниевые ФЭП толщиной 5U мкм и плоские пленочные отражатели, обеспечивающие двукратную концентрацию солнечного излучения (рис. 4.10, б). Номинальный КПД ФЭП в этих условиях равен 13.7 %. К концу пятого года с начала сооружения СКЭС КПД должен уменьшиться до 11.3 %, а предполагаемая суммарная степень деградации СБ за 30 лет составит около 20 %.

При заданной мощности 5 ГВт на выходных шинах приемной ректенны СБ станции должны вырабатывать приблизительно 8.8 ГВт электрической мощности. Эта цифра в сочетании с КПД ФЭП определяет размеры СКЭС, а конструктивные проработки позволяют оценить массы ее подсистем и элементов. Соответствующие данные для двух вариантов СКЭС рассматриваемой схемы, рассчитанных на получение 5 и 10 ГВт выходной мощности на Земле, представлены в табл. 4.3.

Анализ распределения массы СКЭС показывает, что ее основная часть приходится на систему преобразования солнечной энергии и систему генерирования и передачи СВЧизлучения. Удельная масса первой из этих систем на единицу вырабатываемой на борту электрической мощности составляет в среднем около 1.35 кг/кВт, что в 10— 15 раз меньше удельной массы лучших образцов современных солнечных батарей.

При расчете конструкции СКЭС должны учитываться нагрузки, действующие на станцию как в процессе ее транспортировки на рабочую орбиту, так и при функционировании на ГСО. Анализ показал [85], что при использовании для транспортировки ЭРД, равномерно распределенных по всей поверхности станции, и достаточно длительном времени перехода станции с опорной орбиты на рабочую (около 100 суток) возникающие при движении нагрузки оказываются вполне приемлемыми для данной конструкции. Нагрузки, действующие на СКЭС при управлении ее пространственной ориентацией и стабилизацией на ГСО, приблизительно на порядок меньше допустимых, и их можно не учитывать при расчете несущей конструкции станции.

Более опасными являются тепловые напряжения, возникающие в элементах СКЭС в периоды ее затенений на ГСО. Влияние температурных градиентов уменьшается, если несущая конструкция изготовлена из композиционных материалов, например из углепластов. При выборе материалов и конструкции станции необходимо также принимать меры, предотвращающие накопление статического электрического заряда на СКЭС и ее отдельных элементах при взаимодействии с космической плазмой.

Для обеспечения требуемой эффективности преобразования и передачи энергии панели СБ рассматриваемой СКЭС должны быть ориентированы на Солнце с точностью +0.5°, а антенна наводится на приемную систему на Земле с точностью +1°. При этом антенна должна непрерывно вращаться вокруг опорной мачты (1 оборот в сутки), а панели находиться в постоянно ориентированном на Солнце состоянии.

Решение задачи высокоточного управления положением станции на орбите затрудняется изза наличия целого ряда возмущающих воздействий, которые обусловлены давлением солнечного света, влиянием гравитационных полей Солнца и Луны, реактивной отдачей СВЧ излучения (антенна СКЭС представляет собой своего рода фотонный двигатель), эллиптичностью экваториальной плоскости Земли, взаимодействием с магнитными полями, моментами сил трения в шарнирных соединениях и т. д. Все эти возмущения могут оказать существенное влияние на положение СКЭС и параметры орбиты, если не предусмотреть компенсирующее их управление объектом с помощью специальной двигательной системы.

Для рассматриваемого проекта СКЭС были определены энергозатраты на компенсацию основных возмущений п требования к двигательной системе станции, обобщенные в табл. 4.4.

Для ориентации, стабилизации и коррекции орбиты СКЭС предполагается использовать ионные двигатели, питающиеся от СБ станции и использующие в качестве рибоч?го тела аргон. По предварительным оценкам, только для к мпенсацпи дрейфа орбиты по высоте и углу наклонения потребуется около 1400 двигателей, которые должны будут работать в общей сложности в течение 5— 10 суток. При удельном импульсе порядка 80 тыс. м/с годовой расход рабочего тела двигателей СКЭС, обеспечивающий получение полезной выходной мощности на Земле 10 ГВт, должен составить около 40 тыс. кг.

Несмотря на детальную проработку проекта в целом оценки параметров данной СКЭС следует рассматривать как слишком оптимистичные. Об этом, в частности, свидетельствуют результаты последующих проектных разработок фотоэлектрических СКЭС.

Так, например, фирмой «Боинг» был разработан проект СКЭС с кремниевыми ФЭП без концентраторов, рассчитанной на получение 10 ГВт электрической мощности на выходных шинах двух приемных ректенн на Земле [110].

СКЭС представляет собой сплошную прямоугольную ферменную конструкцию (рис. 4.11) размером 21.Зх X 5.3x0.47 км, на торцах которой расположены две передающие антенны диаметром около 1 км. Станция со

Ниже представлена сводка масс (т) элементов СКЭС, дающая достаточно полное представление о структуре станции [110]:

Довольно значительный запас по массе (26.6 %) связан с неопределенностью исходной информации о конструктивных параметрах многих элементов СКЭС и установлен на основании специально проведенного вероятностного анализа массогабаритных показателей станции.

Следует обратить внимание на то, что общая масса СКЭС в данном проекте (97 485 т) почти в 3 раза больше массы СКЭС такой же мощности в проекте П. Глейзера (34 380 т). Это свидетельствует о необходимости критического подхода к публикуемым данным по СКЭС и тщательного анализа путей и методов их получения.

Удельная масса солнечных батарей (без системы управления), т. е. масса, приходящаяся на единицу вырабатываемой на борту станции электрической мощности, в данном случае составляет около 3 кг/кВт.

Еще один проект фотоэлектрической СКЭС, рассчитанной на получение 5 ГВт электрической мощности на Земйе, был разработан фирмой «Рокуэлл интернейшнл». Эта СКЭС существенно отличается от ранее рассмотренных и представляет собой трехжелобную двухъярусную вытянутую конструкцию (рис. 4.13) длиной 21.3 км и шириной 3.85 км с расположенной в центре вращающейся антенной диаметром 1.2 км. Несущая часть конструкции выполнена из трехстержневых алюминиевых ферм, устойчивость которых обеспечивается с помощью Хобразных тросовых растяжек [116, 117].

В системе преобразования солнечной энергии используются ГФП на основе AlGaAs и плоские отражатели, обеспечивающие двукратную концентрацию излучения на поверхности СБ. Верхний желоб станции содержит 12 сдвоенных панелей фотопреобразователей площадью 900 тыс. м2. На двух нижних желобах также размещено по 12 сдвоенных панелей, но площадь каждой из них несколько меньше — 825 тыс. м2. Общая площадь панелей солнечных элементов СКЭС 30.6106 м2.

Базовым блоком, из которого собирают панели ФЭП, является модуль площадью 1 м2 с последовательнопараллельным соединением элементов. Расчетные выходные энергетические параметры модуля в конце срока службы СКЭС: ток 10.54 А, напряжение 30.3 В, удельная мощность 320 Вт/м2.

Модули набираются из ГФП, структура которых показана на рис. 4.14. Основой панели является полиимидная пленка типа кантон толщиной 25 мкм, на которой термостойким клеем марки FEP укрепляются отдельные СЭ. Панели содержат, кроме того, межмодульные электро щины, теплорегулйрующее покрытие, соединяющие и упругие элементы.

Концентратор Предполагается изготовлять тоже из полиимидной пленки кантон толщиной 12.5 мк, на которую наносится слой алюминия толщиной 0.02—0.04 мкм и защитное покрытие из кварца или плавикового шпата. Удельная масса отражающей пленки 0.018 кг/м2.

Ниже даны некоторые расчетные параметры элементов системы преобразования энергии данной СКЭС:

Удельная масса СБ данной СКЭС составляет примерно 1.4 «х/кВт, что более чем в 2 раза ниже удельной массы СБ СКЭС на базе кремниевых ФЭП без концентраторов солнечного излучения, а общая масса системы преобра вования солнечной энергии приблизительно в 2.5 раза ниже.

Управление положением СКЭС в пространстве (ориентация, стабилизация и коррекция орбиты) предполагается осуществлять с помощью блоков электроракетных (ионных) двигателей, использующих аргон в качестве рабочего тела.

На основании анализа проектов фирм «Боинг» и «Рокуэлл интернейшнл» был сформирован так называемый «исходный», или базовый, проект СКЭС с выходной электрической мощностью на Земле 5 ГВт. Согласно этому проекту, СКЭС должна представлять собой сплошную прямоугольную конструкцию ферменного типа с одной передающей антенной на торце (рис. 4.15) [96].

Базовый проект предполагает возможность исполь вования двух вариантов систем преобразования солнечной энергии: на баэе кремниевых ФЭП без концентраторов излучения и на базе ГФП из арсенида галлия с двукратной концентрацией излучения. В качестве основного конструкционного материала в обоих случаях рассматривается углепласт. Структуры и параметры элементов базового проекта соответствовали рассмотренным выше в проектах СКЭС фирм «Боинг» и «Рокуэлл интернейшнл».

Масса СКЭС с ГФП из арсенида галлия составляет 34.1 тыс. т и распределяется примерно поровну между системами преобразования и передачи энергии, В то же время масса системы преобразования энергии CK9Q с кремниевыми ФЭП приблизительно вдвое больше массы передающей системы (общая масса этой СКЭС 51103 т).

В качестве генераторов СВЧизлучения в обоих вариантах базовой СКЭС предполагалось использовать клистроны с выходной мощностью 50—70 кВт.

В дальнейшем базовый вариант СКЭС на основе ГФП из арсенида галлия был усовершенствован с целью снижения удедьИой массы и стоимости создания станции [102]. Модификация проекта была осуществлена по нескольким направлениям.

Прежде всего, значительным йзменениям подверглась система преобразования солнечной энергии. Вместо ГФП из AlGaAs было предложено использовать многопереходные или каскадные фотопреобразователи со структурой AlGaAs—InGaAs. По оценкам, их КПД при АМО и Т =300 К должен быть равен 32 %,<а при Г«500 К — около 19 %.

Геометрический коэффициент концентрации солнечного излучения в системе был увеличен с 2 до 6. Для его реализации предложено использовать плоские четырехгранные зеркала усеченной пирамидальной конфигурации с многократным отражением. При этом требования к точности ориентации концентратора на Солнце возрастают.

Увеличение потерь на отражения в таких системах привело к необходимости замены алюминиевого покрытия на серебряное толщиной 1 мкм. Предполагается, что это обеспечит сохранение коэффициента отражения в конце срока активного функционирования СКЭС на уровне 0.9.

Второе изменение касалось системы передачи энергии. Вместо клистронов в качестве генераторов СВЧизлучения было решено использовать магнетроны, преимущества которых отмечены в разделе 3.1.

Наконец, основываясь на новых данных о взаимодействии СВЧизлучения с ионосферой, авторы цроекта решили увеличить допустимый уровень плотности мощности в центре луча у Земли с 230 до 460 Вт/м2, т. е. в 2 раза. Это, в частности, позволяет увеличить удельную и абсолютную мощности излучения СКЭС и соответственно уменьшить требуемое количество станций на ГСО. Следующий шаг в этом же направлении заключался в увеличении размеров и мощности каждой СКЭС, входящей в систему, и использовании двух передающих ФАР, размещаемых в центре между спаренными энергетическими модулями (рис. 4.16).

Табл. 4.5 отображает влияние всех перечисленных выше изменений в модифицированных вариантах СКЭС на ее основные показатели. Из таблицы видно, что модифицированный вариант СКЭС имеет удельную (на единицу выходной мощности ректенны) массу, на 37.3 % меньшую, чем исходный проект. Площадь солнечных элементов на единицу мощности снижается на 78.7 %, что имеет особенно большое значение, когда в качестве материала фотопреобразователей применяют арсёнид галлия.

Требуемое количество СКЭС на ГСО при использовании модифицированных станций уменьшается с 60 до 20, а стоимость единицы установленной мощности — с 3000 до 1458 долл./кВт, т. е. в 2 раза. Все это убедительно свидетельствует о важности совершенствования систем преобразования и передачи энергии СКЭС.

В качестве еще одного примера в этом плане можно привести проект СКЭС с преобразователями типа «сэндвич», которые были рассмотрены в предыдущей главе» Общий вид такой СКЭС представлен на рис. 4.17. Солнечная батарея объединена здесь с антенной решеткой в единую конструкцию диаметром 1.8 км. Так как эта система должна быть постоянно ориентирована на Землю,, для облучения ФЭП солнечным светом используются два пленочных отражателя. Один 'из них (вторичный) жестко связан с «сэндвич»антенной, обеспечивая пятикратную концентрацию солнечного излучения. Второй отражатель (гелиостат) должен ориентироваться на Солнце так, чтобы постоянно направлять излучение на первый. Двукратное отражение приводит к увеличению потерь энергии в системе и ужесточает требования к стойкости отражающих покрытий. При пятикратной концентрации уровень рабочей температуры ФЭП достигает 200 °С, что является предельнЬ допустимым для ГФП из AlGaAs.

Ограничения на плотность мощности, падающей на ГФП, приводят к необходимости увеличения размеров ФАР и равномерного распределения на антенне плотности излучаемой мощности, а это, как уже отмечалось, ведет к дополнительным потерям энергии в боковых лепестках диаграммы направленности.

Однако наряду с отмеченными недостатками такая система обладает следующими важными преимуществами:

Указанные обстоятельства свидетельствуют о перспективности такого варианта СКЭС и о целесообразности его дальнейшей проработки.

За рубежом было разработано еще несколько проектов фотоэлектрических СКЭС, однако они не получили дальнейшего развития и сейчас представляют в основном лишь исторический интерес.

В заключение остановимся кратко на сравнительной оценке тепловых и фотоэлектрических СКЭС.

Энергетическая эффективность тепловых систем преобразования солнечной энергии при существующем уровне развития технологии их производства может быть выше, чем фотоэлектрических, но обеспечить ее будет довольно трудно, главным образом изза необходимости поддержания достаточно точной геометрии отражающей поверхности концентраторов огромной площади при воздействии гравитационных сил, перепадов температур в конструкции и моментов, возникающих при управлении пространственной ориентацией станции. Кроме того, наличие в системе мощных вращающих агрегатов может затруднить точное наведение концентраторов на Солнцег не говоря уже о сложности обеспечения надежной работы турбогенераторов в течение десятков лет функционирования СКЭС.

Перечисленные и некоторые другие факторы приводят исследователей и разработчиков к выводу о предпочтительности фотоэлектрических СКЭС [107]. Однако при этом сохраняется значительная неопределенность в оценках перспектив развития промышленности, способной обеспечить производство ФЭП в требуемых масштабах, возможностей получения некоторых исходных материалов в нужных для создания станций количествах и т. п.

Окончательный выбор лучшего варианта СКЭС требует дальнейших углубленных исследований, при которых должны учитываться не только рассмотренные выше характеристики самих станций, но и весь комплекс сложных проблем, связанных с их созданием и эксплуатацией.

Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986. — 182 с.