Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Направления исследований и разработок в области СКЭС

Создание систем СКЭС, передающих энергию на Землю, Представляет собой крупнейшую комплексную проблему, беспрецедентную по своим масштабам в области мировой энергетики и космической техники. В исследованиях и разработках по этой проблеме можно выделить несколько основных направлений, которые определяют.возможности, пути и перспективы реализации концепции СКЭС. Все они могут быть представлены в виде иерархической последовательности взаимосвязанных этапов, отображенной рис. 1.1.

На первом этапе исходя из прогнозируемых потребностей в энергии, которые могут быть удовлетворены с помощью СКЭС, и предполагаемых районов размещения потребителей в космосе или на Земле осуществляется выбор орбит функционирования СКЭС, количества станций на них, выходной мощности и режимов генерирования энергии для каждой станции. При этом должны учитываться особенности распределения солнечной радиации в околоземном космическом пространстве и предполагаемые ограничения, связанные с вопросами создания и эксплуатации СКЭC. На этом этапе в общем случае СКЭС должны рассматриваться как элементы системы более высокого уровня, например единой энергетической системы государства или группы стран.

Второй этап предполагает выбор структуры и рациональных параметров системы преобразования и передачи энергии: вида передаваемого электромагнитного излучения и его характеристик, способа и состава системы преобразования солнечной энергии, типов и параметров устройств для генерирования и передачи излучения и его преобразования в электроэнергию. Этот этап является исходным в формировании облика станций, поскольку СКЭС представляют собой энергетические космические объекты. Здесь существует большое число возможных альтернатив, и выбор лучшей из них представляет собой сложную многокритериальную задачу оптимизации с ограничени

Задачи третьего этапа — определение конструктивнокомпоновочной схемы станции с учетом свойств материалов конструкции, ее динамических характеристик, управляемости, способов ориентации. На этом этапе завершается предварительное формирование облика СКЭС.

Далее идут этапы, связанные с исследованием проблем создания и эксплуатации СКЭС. Они включают выбор рациональных способов и средств изготовления элементов и сборки (строительства) станций, оптимизацию транспортных систем и операций при доставке элементов СКЭС на рабочую орбиту, рассмотрение вопросов их технического обслуживания и ремонта для поддержания в рабочем состоянии в течение заданного срока функционирования.

На завершающем этапе производится экономическая оценка всего проекта, анализ экологических и социально политических аспектов создания и применения СКЭС, а также прогнозирование развития и планирование работ в данной области. Очевидно, что ответы на все эти вопросы непосредственно зависят от результатов исследований на всех предыдущих уровнях и в свою очередь оказывают обратное влияние на выбор альтернатив, т. е. исследование проблемы имеет четко выраженный итеративный характер. При этом на каждом этапе должны учитываться влияние факторов окружающей среды й связи с другими космическими и наземными системами.

В дальнейшем по указанным выше причинам мы ограничимся рассмотрением СКЭС, предназначаемых для энергоснабжения Земли. Основное внимание при этом будет уделено вопросам преобразования и передачи энергии, которые имеют наиболее принципиальное значение для определения тенденций развития СКЭС как космических объектов совершенно нового типа. Предварительно, однако, остановимся кратко на задачах первого этапа исследования СКЭС, связанного с выбором рабочих орбит, количества и мощности станций.

Большинство известных проектов СКЭС предполагает размещение станций на ГСО, высота которой составляет 35 800 км, а угол наклона к эклиптике — около 23.5° (рис. 1.2). Здесь каждая СКЭС будет постоянно находиться в зените над фиксированной точкой на земном экваторе, обеспечивая передачу энергии в любой район между 70° с. ш. и 70° ю. ш. Этот пояс включает в себя большую часть основйых населенных областей земного шара, что предоставляет широкие возможности для размещения приемнопреобразующих систем вблизи от по треблителей энергии.

СКЭС, находящаяся на ГСО; в течение года будет почти непрерывно освещена Солнцем, за исключением кратковременных периодов, общая продолжительность которых составит менее 1 %. Однако на протяжении 43 дней около весеннего и 44 дней около осеннего равноденствия СКЭС ежесуточно на некоторое время будет попадать в тень Земли. Максимальная продолжительность затенения в дни равноденствия (21 марта и 21 сентября) составит около 75 мин. .Кроме того, при близком расположении на ГСО большого количества (порядка 100) СКЭС они могут затенять друг друга на 15 мин дважды в "сутки (около 6 ч утра и 6 ч вечера) в течение двух недель вблизи равноденствия. Наконец, в зависимости от положения на ГСО СКЭС могу!1 изредка попадать в тень Луны на время до 90 мин с небольшими перерывами

Затенения СКЭС не приведут к существенному сниже . нию их среднегодовой энергетической эффективности: общие потери энергии за счет затенений должны составить немногимболее 1 % в год, причем попадание станций в тень Земли будет происходить всегда около полуночи по местному времени, когда потребление энергии резко уменьшается. Тем не менее в результате затенений могут эффекты, опасные для Конструкции СКЭС. Это прежде всего термические напряжения, особенно при взаимном затенении СКЭС, так как размеры станции превышают размер полутени и, следовательно градиенты освещенности будут весьма высокими (при попадании СКЭС в тень Земли градиенты освещенности на поверхности станций незначительны, поскольку их максимальные размеры составляют не более 6—7 % от размера полутени). Кроме того, в периоды затенения в коммуникационных линиях и элементах СКЭС могут, происходить замы кадия и пробои, обусловленные накоплением электростатического заряда при взаимодействии станции с космической плазмой. Предполагается, что, когда СКЗС освещены солнечным излучением, они могуг^ частично освобождаться от этого заряда за счет. Таким образом, затенение СКЭС приводит к необходимости разработки специальных конструктивных и эксплуатационных мерсшрйятий, направленных на компенсацию влияния термических напряжений и электростатических зарядов, что несколько, снижает эффективность использования ГСО для размещения станций.

Известная тенденция уменьшения стоимости вырабатываемой энергии при возрастании мощности отдельных энергоблоков, прогнозируемый рост мирового энергопотребления и эксплуатационные преимущества обслуживания в космосе небольшого числа станций обусловили выбор для большинства известных проектов СКЭС установленной мощности 5 и 10 ГВт на выходе приемно преобразующих систем на Земле (мощность, генерируемая на борту станции, должна составлять соответственно около 8 и 13 ГВт при использовании СВЧсистем передачи энергии).

С учетом ожидаемого, например, по прогнозам НАСА роста энергопотребления в США для обеспечения к 2025 г. 20 % потребляемых мощностей необходимо разместить на ГСО 50, а 40 % — 112 СКЭС, дающих в наземную сеть 10 ГВт электрической мощности каждая. При менее интенсивном нарастании энергопотребления аналогичный вклад в общую выработку электроэнергии может быть обеспечен меньшим числом СКЭС такой же мощности [115]. Отмечается, однако, что создание системы подобных СКЭС на ГСО потребует огромных капиталовложений, будет находиться в сильной зависимости от разработки новых многоразовых транспортных космическиj систем с большои грузоподъемностью и низкои стоимостью вывода грузов на орбитузатруднит проведение завершающих монтажносборочных и пусковых работ и т. д. [91]. Эти обстоятельства в сочетании с отмеченными йыше отрицательными последствиями затенения станций на геосинхронной орбите обусловили поиск иных путей построения систем СКЭС.4

Одним из возможных альтернативных вариантов является размещение СКЭС на более низких солнечносинхронных орбитах (ССО), постоянно освещенных Солнцем. Выбор параметров ССО и количества СКЭС на них зависит от размеров зоны на поверхности Земли, которую станции должны снабжать энергией. Для. обеспечения возможности передачи энергии в любую точку земного шара нужно использовать две ССО, расположенные под углами +45° к плоскости эклиптики на высотах 4600 и 4700 км соответственно [78]. По сравнению с ГСО эти орбиты имеют следующие основные преимущества:

— исключаются проблемы, связанные с затенением конструкции СКЭС;
— при размещении на каждой ССО по 35 СКЭС энергия может непрерывно передаваться в любое место на Земле, при этом мощность, которую необходимо получать от отдельных станций, снижается с 5000 до 200 МВт при поддержании постоянной электрической мощности порядка 500 МВт Hch выходе приемнопреобразующих систем;
- размер передающих антенн СКЭС, размещаемых на ССО с указанными выше параметрами, должен составлять всего 3.8 % от размера антенны СКЭС на ГСО с соответствующим снижением сложности й стоимости создания передающей системы;
— стоимость транспортировки на ССО значительно (в 2—3 раза) ниже, чем на ГСО, что в совокупности с другими благоприятными факторами должно позволить сократить капитальные затраты на производство электроэнергии на 25—50 %;
— создание полномасштабных образцов СКЭС мощностью 200ТИВт в ближайшие 15—20 лет является значительно более реальным и с технической, и с экономической точек зрения, чем осуществление проектов СКЭС мощностью 5—10 ГВт;
— нагрев ионосферы от множества СКЭС сравнительно небольшой мощности, рассредоточенных на ССО, не превышает ее нагрева естественной солнечной радиацией, так как потоки излучения, идущего от отдельных станций к приемнопреобразующей системе, не накладываются друг на друга и каждая область ионосферы облучается непрерывно в течение примерно 1 мин.

Наряду с указанными преимуществами ССО имеют и ряд недостатков, которые не свойственны ГСО, а именно:

— отдельные участки рассмотренных ССО проходят через внутренние радиационные пояса Земли, где интенсивные потоки электронов и протонов могут привести к сравнительно быстрому выходу из строя элементов СКЭС, в первую очередь изготовленных из полупроводниковых материалов;
— рассредоточенность сети СКЭС на ССО усложнит их эксплуатацию и потребует увеличения расхода топлива для перемещения станций технического обслуживания (однако сам процесс обслуживания и ремонта должен упроститься за счет меньших размеров СКЭС);
— система СКЭС, размещаемая на ССО, будет экономически эффективной лишь в случае ее использования во всемирном масштабе, поэтому проект такой системы должен разрабатываться на основе международного сотрудничества.

Рассматривается возможность размещения СКЭС не только на ГСО и ССО, но и на других околоземных орбитах. В частности, недавно в СССР выдано авторское свидетельство на новый способ передачи энергии от СКЭС наземным потребителям, расположенным преимущественно в средних и высоких широтах северного полушария [8]. СКЭС предлагается запускать на неэкваториальные квазистационарные околокруговые орбиты, при полете по которым станция находится все время на одной долготе, но по широте перемещается в пределах угла наклона орбиты, или на эллиптические синхронные с апогеем около 72 тыс. км и с перигеем 500 км. Со сдвигом по времени на 1/2 периода орбиты запускаются два энергетических КА: СКЭС и спутникретранслятор. Когда СКЭС находится в северном полушарии, энергия к потребителю передается непосредственно с ее антенны, а когда СКЭС находится в южном полушарии, энергия qt нее передается через ретранслятор, который в эта время находится в северном полушарии. Спутникретранслятор может быть заменен второй СКЭС. Тогда одна из станций передает энергию непосредственно со своей антенны, а вторая ретранслирует ее через дополнительную антенну первой СКЭС. Использование квазистационарных орбит экономит энергию, необходимую для вывода СКЭС на орбиту, и позволяет уменьшить площадь приемно преобразующей системы.

В целом анализ различных вариантов размещения СКЭС в космосе показывает, что выбор рабочих орбит, мощности и количества станций представляет собой достаточно сложную задачу, тесно связанную со всеми другими этапами исследования проблемы и в первую очередь с выбором систем преобразования и передачи энергии.

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

Экспертиза

на главную