21 Современный проектный метод использования солнечной энергии. Космическая солнечная электростанция

Непостоянство солнечной радиации и сравнительно небольшая ее интенсивность, приходящаяся на единицу земной поверхности, приводят к тому, что строительство наземных СЭС требует затраты больших площадей для размещения на этой территории поля гелиостатов (или пруда), аккумулятора и других сооружений. В связи с этим высказываются многочисленные идеи создания космической СЭС. При этом спутник особой конструкции запускается на геостационарную (геосинхронную) орбиту (примерно 35 тыс. км), где он вращается синхронно с планетой и как бы зависает над определенной точкой земной поверхности. В этих условиях спутник более 99% времени будет освещаться Солнцем, и при этом плотность потока энергии составит 1,4 кВт/м², т.е. в 5-7 раз больше, чем в среднем на поверхности Земли.

Сконцентрированная на спутнике солнечная энергия преобразуется в электрическую с использованием полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей и через специальную антенну узким пучком в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения с частотой 2,4-2,5 ГГц передается на Землю. Для того, чтобы выработанную в космосе электроэнергию преобразовать в СВЧ-излучение, предлагается использовать либо усилители со скрещенными полями (амплитроны), либо устройства на линейных пучках (клистроны), либо электронные приборы, непосредственно преобразующие солнечное излучение в СВЧ-излучение. Так как относительно большая длина волны СВЧ-излучение (10-12см) влечет за собой и большую расходимость пучка, то потребуется создание наземных антенн (их называют ректеннами), занимающих большие площади. На Земле излучение преобразуется в переменный ток промышленной частоты и поступает в энергосистему или непосредственно к потребителям.

Конечно, пока такие проекты могут показаться именно тем, чем они казались в середине прошлого века, – чистой фантастикой, но подобную станцию намерена осуществить калифорнийская фирма Solaren Corporation, созданная группой инженеров аэрокосмической промышленности. Эта компания уже убедила крупнейшую энергетическую корпорацию штата Pacific Gas & Electric доставлять производимое ею электричество жителям округа Фресно. PG&E пока обещала закупать 200 тыс. киловатт космической электроэнергии, и это только начало. Руководители Solaren полагают, что со временем ее спутники смогут генерировать от миллиона 200 тысяч до 4, 800 млн киловатт – это вполне соответствует возможностям одной-трех современных атомных электростанций. Что и говорить, не слабо.

Как же будет выполняться это чудо-проект? Solaren ведет речь о нескольких спутниках, запущенных на пролегающие на экватором круговые геостационарные орбиты высотой около 36 тыс. км. Спутники развернут зеркала многокилометровых размеров, изготовленные из тонкой блестящей пленки. Эти рефлекторы будут собирать солнечные лучи и направлять их на батареи фотоэлементов. Затем солнечная энергия будет преобразована в электромагнитное излучение и направлена на антенны наземной приемной станцию.

Solaren будет передавать на Землю энергию посредством вполне безвредных радиоволн. Для этого потребуется построить серию приемных антенн и расположить их на участке площадью несколько кв. километров.

Фирма утверждает, что ее спутники смогут снабжать солнечной электроэнергией 250 тыс. жилых домов в округе Фресно. При этом объявленная цена проекта не так уж и велика: 2 млрд. долларов. Solaren уверена, что себестоимость солнечной космической энергии не превысит цену электричества от ветрогенераторов и наземных солнечных станций.

Похожий проект сейчас разрабатывает и другая американская фирма Space Energy. Подумывают об этом и в Стране Восходящего Солнца. Японское Управление по исследованию космического пространства недавно приступило к испытаниям прототипа излучателя, который сможет передавать на Землю солнечную энергию в виде микроволн. Если тестирование пройдет успешно, агентство приступит к планированию искусственных спутников, которые смогут поставлять чистое электричество полумиллиону домов. Правда, японцы не рассчитывают запустить первый такой сателлит ранее 2030 года.

Мировой рекорд по беспроводной передаче приличных объемов энергии держится аж с 1975 года. Специалисты NASA тогда ухитрились передать на одну милю микроволновой луч мощностью в 30 киловатт, и с тех пор этот показатель еще никем не перекрыт. Solaren обещает перекачивать неизмеримо большие мощности на дистанции в десятки тысяч километров. Однако ее руководство утверждает, что необходимые для этого технологии уже существуют.

Надеемся, что в 2016 году или около того «Голос Америки» сможет сообщить о начале работы первой в мире космической солнечной энергостанции. В конце концов, ждать осталось недолго.

Выводы

В качестве наиболее интересных и практически важных приведенных в докладе результатов сравнения экономических показателей ВИЭ и вновь строящихся традиционных энергостанций отметим следующие:

1. коммерческую конкурентоспособность (в терминах себестоимости и окупаемости) ряда ВИЭ (сетевых ВЭС, СК, безплотинных МГЭС, БиоЭС) по сравнению с энергостанциями на органическом топливе, достигаемую за счет отсутствия топливной составляющей;

2. более высокие капитальные затраты при строительстве ВИЭ по сравнению с традиционными тепловыми энергостанциями на органическом топливе, обусловленными более высокой стоимостью основного оборудования ВИЭ. Это обстоятельство диктует необходимость государственной экономической поддержки технологий энерго-производства на возобновляемых ресурсах;

3. с учетом существующих дотаций и "неучтенных" затрат на эксплуатацию энергостанций на органическом топливе, а также затрат на ликвидацию негативных экологических последствий их работы, широкомасштабное использование ВИЭ сулит большой государственный экономический эффект;

4. ежегодная экономия топлива при использовании ВИЭ только для обновления электрогенерирующих мощностей Украины в объеме 3,5 % ее суммарных мощностей (~ 210 ГВт) может составлять суммарный годовой экономический эффект до 13,3 млрд. гривен

Термоядерный синтез Солнца является источником большинства видов возобновляемой энергии, за исключением геотермической энергии и энергии приливов и отливов. По расчётам астрономов, оставшаяся продолжительность жизни Солнца составляет около пяти миллиардов лет, так что по человеческим масштабам возобновляемой энергии, происходящей от Солнца, истощение не грозит.

В строго физическом смысле энергия не возобновляется, а постоянно изымается из вышеназванных источников. Из солнечной энергии, прибывающей на Землю, лишь очень небольшая часть трансформируется в другие формы энергии, а большая часть просто уходит в космос.

Использованию постоянных процессов противопоставлена добыча ископаемых энергоносителей, таких как каменный уголь, нефть, природный газ или торф. В широком понимании они тоже являются возобновляемыми, но не по меркам человека, так как их образование требует сотен миллионов лет, а их использование проходит гораздо быстрее.