Реферат: Солнечная энергетика
Известное
техническое решение высокоэффективной системы передачи-приема энергии в
СВЧ-диапазоне электромагнитных волн предполагает развертывание в космосе и на
Земле антенн больших апертур. При дальностях передачи порядка 40 тыс. км,
частоте колебаний 2,45 ГГц и КПД тракта передачи около 90% произведение
диаметров передающей и приемной антенн не должно быть меньше 10 км2.
Для базового варианта космической солнечной электростанции большой мощности
апертуры антенн выбраны равными 1 км в космосе и 10 км на Земле. Попытка уменьшить размеры антенн для маломасштабных электростанций до приемлемых
величин (например, до 30 и 300 м) приводит к катастрофическому падению КПД до
значений, составляющих доли процента. Очевидно, что система направленной
передачи-приема энергии для маломасштабных электростанций должна строиться на
иных принципах. Разработка такой системы, использующей малые апертуры, откроет
дорогу к созданию маломасштабных космических солнечных электростанций, которые
могут найти широкое применение в народном хозяйстве.
Потребность
народного хозяйства в источниках энергии малой и средней мощности велика. В
пустынях, в отдаленных районах, на Крайнем Севере, на островах в Мировом океане
размещаются разнообразные производства, энергоснабжение которых традиционными
методами затруднено, требует больших затрат и приводит к загрязнению окружающей
среды. Таким локальным производственным комплексом может быть малый рудник в
Якутии, доставка топлива для энергоснабжения которого представляет собой
сложную и дорогостоящую задачу. Рядом с рудником может быть развернута приемная
антенна ограниченных размеров, на которую из космоса направляется
энергетический луч. Рудник и жилой поселок при нем непрерывно и круглосуточно
снабжаются электроэнергией из космоса. Если удельные капитальные затраты
составят около 1000 долл/кВт, а цена за электроэнергию не будет превышать 50
центов/кВт-ч, то создание такой электростанции станет целесообразным.
Стоимость
установленной мощности космических солнечных электростанций оценивается, как
уже было сказано, в 4—5 тыс. долл/кВт. По мнению некоторых специалистов, эта
цифра занижена и затраты на 1 кВт установленной мощности могут возрасти до 10
тыс. долл. и более. Если учесть, что удельная стоимость альтернативных
источников электроэнергии меньше (наземные солнечные электростанции— 1 тыс.
долл/кВт, термоядерные электростанции — 2—3 тыс. долл/кВт), то целесообразность
создания космической энергосистемы становится сомнительной. При этом возникает
вопрос - почему при всех очевидных преимуществах утилизации солнечной энергии в
космосе экономическая эффективность энергосистемы оказывается невысокой?
Рассмотрим
основные системы космической солнечной электростанции — солнечный коллектор и
систему передачи-приема энергии, а также средства выведения электростанции в
космос — грузовые сверхмощные ракеты-носители. Стоимость широко применяемых на
практике фотоэлектрических преобразователей, предназначенных для работы в
космосе, более чем на порядок превышает стоимость своих наземных аналогов. Это
вызвано необходимостью обеспечить радиационную стойкость, применением
дорогостоящих материалов, усложнением технологического процесса производства
элементов, малой производительностью действующих технологических линий. С развитием
космической гелиоэнергетики разница в стоимостях, вероятно, будет сокращаться;
цены на фотоэлектрические преобразователи одной площади для наземного и
космического применений будут отличаться в 2 или 3 раза.
Технически
реализуемая и высокоэффективная беспроводная линия передачи-приема энергии в
СВЧ-диапазоне волн предполагает развертывание антенн большой апертуры (диаметры
1 км и 10 км соответственно). Производство и создание в космосе и на Земле
подобных циклопических сооружений потребует многомиллиардных затрат, которые
для наземных электростанций полностью отсутствуют, ибо генерируемая
электроэнергия непосредственно поступает в промышленную сеть. Уменьшение
апертур излучающего и приемного устройств, снижение удельной массы
СВЧ-генераторов и их стоимости позволили бы значительно сократить удельные
капитальные затраты.
Выведение
элементов космической солнечной электростанции с Земли на геостационарную
орбиту стоит дорого. Сегодня стоимость выведения полезного груза с Земли на
низкую опорную орбиту составляет около 10 тыс. долл/кг. Предположим, что в
результате прогресса в ракетной технике эта стоимость уменьшится на два порядка
и составит 100 долл/кг. Тогда при удельной массе космической солнечной
электростанции 10 кг/кВт (масса 50 тыс. т, полезная мощность — 5 млн. кВт)
относительная стоимость выведения в космос одного киловатта мощности составит
1000 долл/кВт. Таким образом, только выведение элементов солнечной
электростанции на низкую орбиту потребует расходов, равных полным капитальным
затратам при создании наземных солнечных электростанций. При этом принятая
удельная стоимость выведения (100 долл/кг) является недопустимо заниженной.
Парадокс заключается в том, что достижение даже этих предельных
технико-экономических показателей не позволит конкурировать с наземными
солнечными электростанциями. Требуется дополнительное снижение затрат на
выведение грузов в космос, причем для обеспечения конкурентоспособности
необходимо довести стоимость транспортировки грузов до значений 20—30 долл/кг,
что практически неосуществимо на основе реактивных принципов разгона макротел в
гравитационном поле Земли.
Внимательный
читатель, вероятно, обратил внимание на разницу в удельных параметрах
космической солнечной электростанции и транспортных систем. Если в проект
полномасштабной электростанции большой мощности (5 млн. кВт) заложены
характеристики, достигнутые на летных или экспериментальных образцах (КПД
солнечных батарей — 12%, КПД передачи-приема энергии — 60%, удельная масса
солнечного коллектора — 0,5 кг/м2), то удельные параметры
транспортной системы близки к предельным, возможность и сроки достижения
которых в настоящее время неясны. Причина этого заключается в отсутствии
какого-либо опыта разработки и эксплуатации солнечных электростанций и в
значительном заделе по ракетам-носителям, позволяющем прогнозировать
совершенствование средств выведения, а также в прямом влиянии стоимости
выведения на капитальные затраты по космической энергосистеме.
Для определения
возможности создания полномасштабных космических солнечных электростанций и
высокоэффективных ракет-носителей низкой стоимости требуется проведение
большого объема научно-исследовательских и экспериментальных работ, что
отодвигает сроки начала реализации программы далеко за 2000 г.
5.
СОЛНЦЕМОБИЛЬ
СЕГОДНЯ.
Пятьдесят
лет назад, 31 августа 1955 года, в Чикаго на выставке достижений концерна
General Motors впервые был показан прототип транспортного средства на солнечных
батареях. Модель автомобильчика длиной чуть более фута с дюжиной селеновых
фотоэлементов на крыше и одним миниатюрным электромоторчиком тихонько ползала
вокруг павильона. Рядом с ней гордо ходил ее создатель, американский инженер
Уильям Кобб. Тогда его исследования финансировались, и он искренне верил, что
через пару десятилетий, скажем, по дорогам солнечной Калифорнии будут вовсю
колесить бесшумные и экологически чистые солнцемобили. Тем более что КПД
солнечных батарей постоянно рос, разрабатывались все более совершенные
фотоэлементы. Однако вскоре исследования свернули и про электромобили на
энергии нашего светила забыли на три с лишним десятилетия.
Вспомнили
про них экологи: в конце 80-х - начале 90-х годов ХХ века ими были построены
первые шоу-кары, использующие солнечную энергию. К тому времени КПД
фотоэлементов вырос до 15 процентов, и ездили такие машинки довольно шустро,
развивая скорость до сотни километров в час. Тут же нашлись энтузиасты этого
дела, ведь если появляется возможность на чем-то посоревноваться, гонщики тут
же находятся - солнцемобили начали строить по всему миру. А потом в гонку
включились университеты, исследовательские центры и автоконцерны, ведь это
прекрасная реклама. К тому же на таких авто можно отрабатывать различные
высокие технологии, например, испытывать высокоэкономичные электродвигатели,
компактные, легкие и емкие аккумуляторы и, наконец, те же самые солнечные
батареи. Кстати, в последней сфере недавно произошел настоящий прорыв -
исследовательская компания Spectrolab, входящая в состав корпорации Boeing,
разработала фотоэлементы, способные преобразовывать в электрический ток 36%
солнечной энергии.
Солнцемобили
в большинстве своем машины уникальные. В их конструкции используются
оригинальные технические решения и новейшие материалы. Отсюда и очень высокая
цена. Например, двухместный солнцемобиль "Мечта" обошелся японской
автомобильной компании "Хонда" в 2 миллиона долларов. Но деньги были
потрачены не напрасно. Трассу трансавстралийского ралли 1996 года протяженностью
3000 км он прошел со средней скоростью почти 90 км/ч , а на прямом скоростном
участке достиг 135 км/ч . Рекорд "Мечты" до сих пор никем не побит.
Солнцемобиль - это электромобиль, снабжен-ный фото-электрическими
преобразователями (сол-нечными батареями) достаточно большой мощности, в
которых энергия света преобразуется в электрический ток, питающий тяговый
двигатель и заряжающий аккумуляторы.
Конструирование
солнцемобилей и испытание их в гонках постепенно оформились в новый технический
вид спорта - " брейнспорт ". По сути дела - это состязания
интеллектов создателей солнцемобилей . На них отрабатываются параметры
транспортных средств будущего. Чтобы солнцемобиль с максимальной мощностью
солнечных батарей и электромотора всего 1,5-2 кВт мог соперничать с
автомобилем, необходимо использовать самые легкие и прочные конструкционные
материалы, высокоэффективные системы электропривода, последние достижения аэродинамики,
гелио- и электротехники, электроники и других наук
Специалисты полагают, что солнечный транспорт станет всерьез конкурировать с
автомобильным, когда эффективность доступных по цене солнечных элементов
(фотоэлектрических преобразователей) составит 40-50%. Пока же их КПД всего
10-12%. Чтобы солнцемобили с мощностью солнечных батарей 1,5-2 кВт
"догнали" автомобили с двигателями в 100 раз мощнее, необходимо использовать
легкие и прочные конструкционные материалы, эффективные системы электропривода,
достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 |
