Тепловые СКЭС

Отмеченные ранее преимущества газотурбинных преобразователей (см. раздел 2.3) явились причиной того, что на начальных этапах развития концепции тепловых СКЭС основное внимание уделялось проектам станций с преобразователями именно этого типа.

Все известные проекты СКЭС с ГТП были разработаны американской фирмой «Боинг». Первый из них, опубликованный в 1973 г. [109], предусматривал создание многомодульной системы (рис. 4.1), состоящей из 40 солнечных газотурбинных установок (модулей) с выходной электрической мощностью каждой около 500 МВт (мощность на шинах приемной ректенны 10 ГВт). Модули объединены в два конструктивных блока, между которыми расположена передающая антенна. Каждая установка (рис. 4.1, б) состоит из надувного параболоидного концентратора диаметром 1.45 км (алюминизированный майлар толщиной 12.5 мкм), одноконтурного регенеративного ГТП с гелий аргоновой смесью в качестве рабочего тела, холодильникаизлучателя (ХИ) и несущей конструкции, объединяющей концентратор с приемником и преобразователем. Максимальная температура стенок приемника около 2000° С, температура газа на входе в турбину Т = 1650 °С, отношение температур в цикле, эффективный КПД ГТП порядка 30 %. Удельная масса модуля на единицу вырабатываемой на борту электрической мощности около 2.2 кг/кВт.

Следует отметить, что расчетные оценки в данном проекте носили сугубо приближенный характер и были слишком оптимистичными. Так, например, совершенно очевидно, что надувной отражатель предложенной конструкции не может обеспечить степень концентрации, необходимую для получения температуры порядка 2000 °С с учетом реально достижимой точности отражающей поверхности.

В дальнейшем проект СКЭС с ГТП подвергся значительным изменениям. В 1975 г. был предложен вариант тепловой СКЭС на базе ГТП с существенно укрупненными модулями [119, 120]. При этой же полезной мощности на Земле (10 ГВт) СКЭС в данном проекте включала всего четыре модуля, выходная электрическая мощность каждого из которых составляет около 3.6 ГВт. На рис. 4.2 показана общая компоновка и размеры этого варианта СКЭС.

Несущая конструкция станции образована из элементов ферменного типа, которые предполагается доставлять в космос в сложенном состоянии и разворачивать на орбите сборки с помощью тросов. Основной конструкционный материал — алюминий, хотя рассматривалась также возможность применения композиционных материалов.

Энергетический коэффициент концентрации, характеризуемый отношением средней плотности лучистого потока в плоскости входного отверстия приемника к плотности солнечного излучения, для обеспечения требуемой температуры в приемнике порядка 1500 К?

Должен быть равен 3600. С учетом зазоров между фацетами, неточностей их установки и формы, неполноты отражения, краевого эффекта и других факторов геометрический коэффициент концентрации, который характеризуется отношением площади миделя концентратора к площади входного отверстия приемника, в данном случае должен быть около 6000. Общее количество фацет на одном концентраторе было выбрано равным 52 000, хотя для уменьшения стоимости системы целесообразно иметь меньшее количество фацет (порядка 20 000).

Полостной приемник приближенно сферической конфигурации (рис. 4.5) состоит из 48 плоских панелей различной формы, имеющих жесткий каркас и заполненных теплоизоляционным материалом. Внутри приемника расположены трубопроводы теплообменника, в котором происходит нагрев рабочего тела ГТП. На наружной стороне панелей, образующих центральный пояс приемника, установлено 12 ГТП мощностью 300 МВт каждый. Преобразователи соединены с панелями трубопроводами, которых циркулирует жидкометаллический теплойосй тель. Электроэнергия от генераторов собирается кольцевой шиной, окружающей приемник, и передается к системе распределения энергии СКЭС через шину, идущую вдоль одной из опор приемника.

В качестве рабочего тела ГТП в данном проекте предполагалось использовать гелий. Температура гааа на выходе из приемника (на входе в турбину) Тг = 1300 К, на выходе из ХИ TXmin — 500 К, эффективный КПД газотурбинного преобразователя 37 %.

Общая сводка КПД и масс элементов системы преобразования солнечной энергии для данного проекта СКЭС представлена в табл. 4.1. Удельная масса системы преобразования энергии на единицу вырабатываемой на борту электрической мощности в данном случае составляет около 4.3 кг/кВт.

Одной из основных проблем обеспечения эффективного функционирования СКЭС с ГТП, как и любой СКЭС с тепловой системой преобразования солнечной энергии, работающей при высоких температурах, является точная ориентация концентраторов на Солнце в условиях воздействия градиентов гравитационных сил, солнечного давления и других возмущающих факторов. В данном проекте в качестве исполнительных органов системы ориентации стабилизации и коррекции орбиты СКЭС предполагалось использовать электроракетные двигатели.

В процессе последующих проработок и исследований четырехмодульный проект тепловой СКЭС с ГТП подвергся некоторой модификации. С целью повышения эффективности ориентации и стабилизации СКЭС была изменена общая конфигурация станции (рис. 4.6): все модули были расположены вдоль одной оси. Число фацет каждого концентратора было уменьшено до 16 800. В качестве основного конструкционного материала был выбран углепласг (графитоэпоксидная композиция). Материал пленочных фацет — алюминизированный каптон толщиной 8 мкм. Число ГТП на приемнике увеличено с 12 до 16 при выходной электрической мощности каждого из них 300 МВт, что было связано с уточнением КПД системы генерации, передачи и преобразования СВЧизлучения. В качестве рабочего тела ГТП используется гелий ксеноновая смесь. Температура газа на входе в турбину составляет 1620 К, а КПД ГТП с электрогенератором около 44 %. Общая масса станции 102 тыс. т [89].

В дальнейшем был разработан еще один проект СКЭС с ГТП (рис. 4.7), также рассчитанный на получение 10 ГВт электрической мощности на Земле [90, 119]. Количество энергетических модулей в этом проекте увеличено до 16. Основой каждого модуля является фацетный концентратор размером (в плане) 2057x2910 м, который представляет собой симметричную вырезку из параболоида. Устройство фацет такое же, как и в рассмотренных выше проектах. Предполагается, что для компенсации ухудшения оптических характеристик отражающей поверхности изза воздействия космической радиации шмикро метеоритов за 30 лет функционирования площадь концентратора должна быть увеличена на 47 % по сравнению с требуемой при исходных параметрах СКЭС. Общая площадь проекции солнечного коллектора около 81 м2.

Приемник каждого модуля имеет цилиндрическую форму, и на его поверхности установлено четыре ГТП с электрогенераторами мощностью 275 МВт каждый. Диаметр приемника 102 м, диаметр входного отверстия 64 м.

Турбогенератор ГТП имеет шестиступенчатую осевую турбину и шестнадцатиступенчатый осевой компрессор. Ротор турбогенератора поддерживается газовыми подшипниками. В качестве материала лопаток турбины предполагается использовать карбид кремния. В системе используются электрогенераторы постоянного тока с выходным напряжением 42 кВ. Электроэнергия передается к антенне по алюминиевым шинам cистема отвода тепла от ГТП включает жидкометаллическийконтур с эвтектикой NaK, которая переносит тепло к панелям ХИ, состоящим из тепловых труб с водой в качестве рабочей жидкости. Ребра в конструкции ХИ не используются. На каждом модуле СКЭС установлено четыре панели ХИ (по одной на каждый ГТП). Для охлаждения четырех электрогенераторов используются ХИ меньших размеров.

В качестве рабочего тела ГТП используется гелиа ксеноновая смесь. Температура газа на входе в турбину 1610 К. Средняя температура ХИ, определенная из условия получения минимальной массы всей системы, составляет 480 К. Эффективный КПД ГТП (с учетом потерь в подшипниках и системе охлаждения дисков турбины) равен 0.439.

Ниже приведено распределение масс (т) элементов рассматриваемой СКЭС:

В 1978 г. был опубликован проект.^СКЭС с ПТП на калии, схема которой изображена на рис. 4.8, а. Станция состоит из 16 энергетических модулей, каждый из которых (рис. 4.8, б) включает фацетный концентратор, опоры приемника и так называемую фокальную сборку.

Концентратор содержит 7250 неподвижных плоских шестигранных фацет площадью 1000 м2 каждая, изготовленных из алюминизированного кантона толщиной 3 мкм с коэффициентом отражения в начале срока службы, равным 0.9. Использование в данном проекте СКЭС неподвижных фацет оказалось возможным благодаря тому, что на входе в приемник предполагается установить вторичный комбинированный концентратор (рис. 4.8, в), состоящий из параболоторического фокона и цилиндрического зеркала. Применение такого дополнительного отражателя несколько увеличивает световые потери в системе концентратор—приемник, однако дает возможность снизить требования к точностям установки фацет и ориентации основного зеркала на Солнце, что в целом приводит к упрощению системы преобразования энергии и снижению ее стоимости.

На полостном приемнике цилиндрической формы установлено 36 одноконтурных ПТП с турбогенераторами, имеющими выходную электрическую мощность 32 МВт каждый. Парокалиевая турбина осевая, пятиступенчатая, с гидродинамическими подшипниками. Электрогенератор постоянного тока имеет выходное напряжение 41 кВ. Для прокачки рабочего тела в контуре ПТП используется электромагнитный насос. Панели ХИ состоят из ореб ренных тепловых труб, соединенных с трубопроводом основного контура.

Температура пара перед турбиной 1242 К, за турбиной 932 К, температура конденсации около 600 К. Эффективный КПД ПТП 18.9 %, КПД электрогенератора 98.4 %.

Выходная электрическая мощность системы преобразования солнечной энергии 17.913 ГВт, полный КПД около 11%.

Площадь фацетных концентраторов СКЭС 119 км2, общая площадь всех ХИ 1.15 км2.

Ниже приводится сводка масс (т) элементов тепловой СКЭС с калиевыми ПТП:

Анализ показывает, что данный проект СКЭС с ПТП был проработан весьма тщательно и приведенные оценки параметров системы преобразования энергии станций представляются достаточно обоснованными, особенно показатели энергетической эффективности.

В 1978 г. был разработан еще один проект СКЭС с паротурбинными преобразователями на жидких металлах. Требований к точности геометрии отражающей поверхности зеркала в системах с ПТП привело к идее использования в этом проекте надувных стабилизируемых давлением концентраторов. Общий вид СКЭС, состоящей из двух крупных модулей, представлен на рис. 4.9. Здесь же указаны основные размеры станции.

На каждом приемнике установлено 150 отдельных ПТП мощностью по 6 МВт. Температура парокалиевого потока на входе в турбину 1310 К, температура конденсации рабочего тела в ХИ 470 К. Эффективный КПД цикла 36 %. Отвод тепла от преобразователей каждого модуля существляется через ХИ с тепловыми трубами площадью 1.53 км2.

Судя по опубликованным материалам, этот проект не был проработан до конца и в литературе встречаются его различные модификации [92, 100].

Сводка основных данных систем преобразования энергии рассмотренных выше проектов тепловых СКЭС представлена в табл. 4.2.

Фирма «Сандстренд» в США ведет разработки мощных (до 1200 кВт) ПТП с органическими рабочими телами (Даутерм, толуол), в том числе для солнечных энергоустановок космического назначения [101]. Общая наработка ресурса у них составляет более 150 млн. часов, КПД достигает 20 % и более при весьма умеренных температурах подвода тепла (600—700 К). В перспективе на основе разрабатываемых ПТП с ОРТ могут быть созданы достаточно мощные СКЭС.

Несколько проектов тепловых СКЭС с турбогенераторными преобразователями энергии представлено в отечественной литературе [45, 55]. Наиболее детально проработана система преобразования энергии СКЭС с ПТП, использующим в качестве рабочего тела аммиак. Верхняя температура цикла принята равной 873 К, нижняя 373 К. Эффективный КПД ПТП около 30 %, что соответствует коэффициенту использования 7|в«0.55. Выходная мощность единичного модуля 100 кВт.

В состав энергомодуля СКЭС входят следующие элементы: складной параболоцилиндрический концентратор солнечного излучения с холодильникомизлучателем, расположенным с тыльной стороны; приемник излучения с дополнительными концентраторами; нагреватель и перегреватель паров аммиака с тепловым аккумулятором; паротурбинный преобразователь с регенератором; электрогенератор; система раскрытия; система автоматического регулирования.

Предполагается, что модуль мощностью 100 кВт может быть использован в качестве компоновочной единицы СКЭС любой мощности [55].

Известен ряд проектов СКЭС с теплоэлектрическими (статическими) преобразователями энергии. В одном из них предполагается использовать термоэмиссионные преобразователи [80].

Авторы проекта считают, что ТЭП является почти идеальным преобразователем для СКЭС, так как высокая тем пература отвода тепла позволяет существенно уменьшить массу ХИ, а слабая зависимость КПД ТЭП от плотности мощности в широком диапазоне изменения последней облегчает согласование характеристик СВИТ и подсистемы преобразования энергии.

Результаты упрощенного параметрического исследования показали, что при увеличении плотности тока до 20 А/см2 и «барьерном индексе» 2.1 В (ТЭП первого поколения) масса системы преобразования энергии СКЭС с ТЭП должна быть примерно такой же, как масса системы на основе ГТП, а при уменьшении «барьерного индекса» до 1.5 В (ТЭП второго поколения) система с ТЭП будет почти в 1.5 раза легче. Расчетная выходная электрическая мощность систем принималась равной 18 ГВт.

Однако, как показал анализ исходных данных, принятых в работе [80], при расчетах не учитывалось увеличение удельной массы концентратора солнечного излучения при возрастании максимальной рабочей температуры преобразователя от 1600 (ГТП) до 1900 К (ТЭП). Увеличение общей массы концентратора в системе с ТЭП определяется лишь ростом потерь за счет теплового излучения из приемника. В то же время очевидно, что именно трудности обеспечения требуемой точности отражающей поверхности громадного концентратора СКЭС и точности его наведения на Солнце, которые при температуре приемника порядка 2000 К характеризуются величинами 5— 10 угл. мин. [24], являются главным препятствием на пути использования ТЭП в системах преобразования энергии СКЭС. Поэтому оптимизм авторов данного проекта представляется недостаточно обоснованным.

Несмотря на очевидные потенциальные достоинства такой системы преобразования, работы над этим проектом не получили существенного развития, вероятно ввиду сложности технической реализации эффективных термодиэлектрических, преобразователей.

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