Принципиальные возможности и пути преобразования энергии на СКЭС

Разработанные пути преобразования солнечной энергии и соответствующие им устройства, которые могут, быть реализованы на космических энергостанциях, отображены на схеме, представленной на рис. 2.1. Они включают традиционные для земной энергетики тепломеханические преобразователи газо и паротурбинного типа, теплоэлектрические преобразователи, реализующие термоэмиссионный, термоэлектрический и другие методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, которые наиболее широко используются в современной космической энергетике, различного типа генераторы оптического и радиоизлучения, в том числе осуществляющие прямое преобразование солнечного излучения в монохроматическое, и другие элементы.

Выбор той или иной системы преобразования энергии для СКЭС представляет собой сложную проблему и определяется специфическими особенностями первичного источника энергии — солнечного излучения, требуемым видом и параметрами электромагнитного излучения на выходе системы (его мощностью, длиной волны, режимом генерации и т. д.), уровнем развития (а возможностями технической реализации элементной базы различных преобразователей энергии, а также рядом других обстоятельств. Прежде чем перейти к более подробному рассмотрению всего комплекса этих вопросов, остановимся на некоторых принципиальных моментах, связанных с преобразованием солнечной энергии на СКЭС.

Основной недостаток солнечного излучения как первичного источника энергии — его низкая плотность в околоземном космосе, обусловленная достаточно большой удаленностью Земли от Солнца. Следствием этого являются высокие значения удельной (приходящейся на единицу выходной мощности системы преобразования) площади поверхностей, воспринимающих солнечное излучение:

Отсюда с очевидностью вытекает первое важнейшее требование к системе преобразования энергии СКЭС — высокая энергетическая эффективность, характеризуемая значениями полного КПД системы или ее удельной мощности Nn = EGl. При уровнях выходной мощности, типичных для СКЭС (сотни, тысячи и миллионы киловатт), каждый процент прироста КПД позволит экономить сотни и тысячи квадратных метров лучевоспринимающих поверхностей, десятки и сотни тонн массы СКЭС с соответствующим снижением сложности решения проблем создания и эксплуатации станций и их стоимости.

Принципиальные воможвдсти достижения высокой энергетической эффективности систем преобразования энергии СКЭС, согласно фундаментальным термодинамическим представлениям, определяются в первую очередь свойствами первичного источника энергии и окружающей среды.

Известно, что по своим спектральным характеристикам солнечное излучение может рассматриваться как неполя ризованное равномерное излучение абсолютно черного тела с температурой. Плотность такого излучения у поверхности Солнца определяется законом Стефана—Больцмана:

На расстоянии Ьс от Солнца плотность солнечного излучения, падающего на поверхность, перпендикулярную направлению его распространения, определяется выражением

Множитель (RC/LG)2 учитывает, что излучение распространяется в конечном телесном угле, соответствующем угловому размеру Солнца.

Для околоземного космоса ?с~1360 Вт/м2.

При рассмотрении солнечного излучения как излучения абсолютно черного тела степень его «неупорядоченности» (некогерентности) можно характеризовать энтропией, выражение для плотности потока которой, согласно известной формуле М. Планка [47], можно представить в виде

Из термодинамики известно, что любая энергия, характеризуемая энтропией, не может быть полностью полезно использована или, точнее, превращена в другие виды энергии, энтропия которых равна нулю, например в электрическую или механическую энергию, в когерентное электромагнитное излучение и т. п. Возможность превращения любой энергии с отличной от нуля энтропией в полезную энергию (работу) при заданных параметрах окружающей среды характеризуется зксергией [13].

Эксергия теплового излучения определяет максимальное количество полезной энергии (работы), которое может быть получено при температуре окружающей среды, равной Т0, за счет использования в обратимом процессе полной энергии данного излучения [64].

Выражение для плотности потока эксергии солнечного излучения в космосе может быть представлено в виде

Предельный теоретический коэффициент полезного использования солнечной энергии определяется отношением плотностей потоков эксергии и энергии излучения:

Нужно, однако, иметь в виду, что отвод тепла от любого преобразователя солнечной энергии, в том числе и идеального, практически не может осуществляться при равновесной температуре космического пространства. Минимально возможной температурой в данном случае является равновесная температура теплоотводящих элементов преобразователя при его нерабочем состоянии Т0„, которая всегда будет выше, чем Т0, за счет того, что на эти элементы падает излучение, идущее от Солнца, от Земли, от различных частей конструкции СКЭС и т. д. Таким образом, предельный теоретический КПД системы преобразования солнечной энергии в космосе будет определяться выражением

Зависимость от Готв представлена на рис. 2.2, из которого видно, что в диапазоне равновесных температур теплоотводящих устройств 300—900 К гпр,д изменяется от 0.93 до 0.8, т. е. характеризуется весьма высокими значениями.

Следует, однако, сразу обратить внимание на то, что данные значения предельного КПД относятся лишь к системам, в которых осуществляется прямое преобразование энергии солнечного излучения в требуемый вид полезной энергии. Если же солнечная энергия используется в тепловой форме, т. е. для получения высокотемпературного тепла, которое затем уже преобразуется в полезную энергию, то предельные значения КПД таких систем преобразования определяются КПД обратимого цикла Карно и ограничены уровнем реализуемой в нем максимальной температуры теплоподвода, а следовательно, всегда будут ниже. Рис. 2.2 иллюстрирует это обстоятельство.

Энергетическую эффективность любой реальной сиг стемы преобразования солнечной энергии следует оценивать отношением ее полного эффективного КПД к предельйому, определяемому выражением (2.8), т. е. величиной. Этот показатель может рассматриваться как эксергетический КПД преобразователей солнечной энергии, характеризующий их истинное энергетическое совершенство при использовании энергии данного источника.

Изложенное позволяет провести предварительную сравнительную оценку различных систем преобразования энергии СКЭС (рис. 2.1) с точки зрения принципиальной возможности достижения их высокой энергетической эффективности.

Прежде всего отметим, что, пренебрегая немонохрома тичностью лазерного или радиоизлучения на выходе из системы преобразования энергии СКЭС, можно считать его энтропию равной или близкой к нулю, а следовательно, рассматривать это, излучение в термодинамическом аспекте как полезную энергию или работу. Тогда все приведенные выше оценки предельных значений КПД в полной мере могут быть отнесены к системам преобразования солнечной энергии в энергиюэлектромагнитного излучения оптического или радиодиапазона. А отсюда следует, что наиболее высокой энергетической эффективностью принципиально должны обладать системы прямого преобразования солнечной энергии в лазерное или радиоизлучение, поскольку они имеют максимальный предельный КПД, определяемый выражением (2. 8), и наименьшее число ступеней преобразования энергии.

Ненамного уступающим системы, в которых вначале осуществляется рямое преобразование солнечной энергии в электрическую, а затем электрическая энергия преобразуется в монохроматическое излучение оптического или радиодиапазона. Поскольку электрическая энергия обладает нулевой энтропией, процесс прямого преобразования в нее солнечного излучения характеризуется такими же высокими значениями цредельного КПД, в предыдущем случае, а преобразование электроэнергии в лазерное или радиоизлучение принципиально может, осуществляться вообще без потерь, т. е. полностью. Таким образом, предельный термодинамический КПД в этих двух системах является одинаковым и вторая проигрывает лишь вследствие наличия дополнительной ступени преобразования, что в реальном случае всегда связано с увеличением потерь энергии.

С другой стороны, забегая несколько вперед, можно отметить, что при современном уровне развития техники КПД реальных фотоэлектрических преобразователей значительно (примерно на порядок) выше, чем КПД разработанных устройств прямога преобразования солнечной энергии в лазерное и СВЧизлучение. При высоких значениях КПД СВЧгенераторов и лазеров с электрическим питанием (накачкой) это обеспечивает пока более высокую полную энергетическую эффективность двухступенчатых систем преобразования солнечной энергии в монохроматическое излучение по сравнению с одноступенчатыми. Однако такое положение не является принципиально закономерным. Известно, например, что КПД фотоэлектрических преобразователей за сравнительно короткий период их развития возрос приблизительно на порядок, и нет оснований сомневаться, что и в области устройств прямого преобразования солнечной энергии в электромагнитное излучение в ближайшие годы или десятилетия будет достигнут такой же прогресс и их КПД значительно увеличится, приближаясь к термодинамическому пределу.

Использование тепловых преобразователей солнечной энергии на СКЭС с точки зрения возможности достижения предельной энергетической эффективности систем преобразования принципиально менее перспективно. Однако сегодня тепловые турбомашинные преобразователи. Применяемые в наземной энергетике, имеют наиболее высокие достигнутые значения КПД. Их использование к тому же может оказаться целесообразным в тех случаях, когда в системе преобразования СКЭС необходимо иметь механическую энергию, например для прокачки больших масс активной среды в лазерном контуре и т. п. Таким образом, при анализе. систем преобразования энергии СКЭС в настоящее jspeMH нет оснований исключать из рассмотрения Преобразователи тепловой энергии солнечного излучения.

Достижение высокой энергетической эффективности тепловых и других преобразователей энергии СКЭС возможно лишь при концентрации солнечного излучения, позволяющей компенсировать его основной недостаток как источника энергии — низкую плотность. Только при менение концентраторов позволяет получить плотности лучистых потоков, необходимые для реализации эффективных процессов как прямого преобразования солнечной энергии, например оптической накачки лазеров или возбуждения объемных фотовольтаических эффектов в фотоэлектрических преобразователях, так и теплового — высокотемпературного нагрева рабочих тел.

Заметим, что в системах преобразования энергии СКЭС может осуществляться концентрация не только солнечного излучения, но и электрического тока с помощью токопроводов, радиоизлучения с помощью волноводов и т. д. Таким образом, необходимость концентрации потоков энергии является принципиальной особенностью рассматриваемых систем.

Требование высокой энергетической эффективности является важным, но не единственным и даже не определяющим требованием к системе преобразования энергии СКЭС. При ожидаемых масштабах различного рода производственных процессов, связанных с созданием СКЭС, решающим фактором выбора той или иной системы преобразования солнечной энергии будет, вероятно, стоимость единицы вырабатываемой ею мощности излучения:

Анализ этого выражения показывает, что стоимость единицы мощности СКЭС будет зависеть прежде всего от экономичности систем преобразования солнетаой энергии, определяемой технологией производства и сборки их элементов, ценой используемых материалов, стоимостью доставки одного килограмма груза на рабочую орбиту и т. д. Все эти факторы в уравнении (2. 10) учитываются множителем с. Показатель у учитывает конструктивное совершенство системы преобразования, а коэффициент зависит от количества ступеней преобразования и качества организации протекающих в них процессов.

Существенно, что все перечисленные показатели не являются независимыми друг от друга. Так, например, повышение эксергетического КПД системы часто связано с необходимостью использования более сложных преобразователей энергии, более дефицитных и дорогих материалов и т. п., что ведет к увеличению удельной стоимости системы. Стремление уменьшить с при сохранении высокого значения за счет, например, применения концентраторов солнечного излучения может привести к увеличению удельной массы системы и т. д.

Таким образом, при выборе лучшей системы преобразования солнечной энергии для СКЭС необходимо учитывать многочисленные и во многом противоречивые требования. Наряду с отмёченными уже требованиями высокой энергетической эффективности, низких удельных стоимости и массы системы к их числу относятся:

Имея в виду перечисленные требования, перейдем теперь к более подробному рассмотрению различных подсистем и элементов систем преобразования энергии СКЭС.

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