"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 12, 2007

оглавление

дискуссия


ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ИЗ КОСМОСА -

СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 

В. А. Ванке

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова


Получена 5 декабря 2007 г.
 

Популярно и кратко обсуждаются состояние и перспективы работ в области Солнечных космических энергосистем.  Подчеркнута важность расширения и углубления международной кооперации работ в этой области
 

ВВЕДЕНИЕ

Один из крупнейших российских физиков прошлого столетия, лауреат Нобелевской премии, академик Пётр Леонидович Капица посвятил часть своей творческой биографии исследованию перспектив использования СВЧ-колебаний и волн для создания новых и высокоэффективных систем передачи энергии. В 1962 году в предисловии к своей монографии [1] (рис. 1) он писал "… я хочу напомнить, что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась широко только вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и пр.). Вполне вероятно, что история повторится: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но её будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики". 

    Одновременно и независимо, известный специалист в области СВЧ-электро-ники Вильям Браун (William C. Brown). проводил эксперименты в США (Raytheon Co.), направленные на создание трактов передачи энергии СВЧ-пучком (Wireless Power Transmission – WPT). Было впервые испытано устройство (рис. 2), способное принимать и преобразовывать энергию СВЧ пучка в энергию постоянного тока. Это устройство, представляющее собой антенную решётку, состоящую из полуволновых диполей, независимо нагруженных на высокоэффективные диоды с барьером Шоттки, получило название ректенна (от англ. слов rectify и antenna) и впоследствии испытывалось, а также интенсивно совершенствовалось во многих странах мира. Уже в 1976 году [2] Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком 30 кВт мощности на расстояние в 1 милю (1,6 км). Причём КПД ректенны в этом эксперименте превышал 80%.

 

 

 

 

ОБЩАЯ СХЕМА СОЛНЕЧНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (СКЭС) 

 

В 1968 году американский специалист в области космических исследований Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) предложил размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите, а вырабатываемую ими энергию (уровня 5-10 ГВт) передавать  на поверхность Земли хорошо сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать её затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты и раздавать потребителям [2, 3].  Такая схема (рис. 3) позволяет использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на геостационарной орбите (~ 1,4 кВт/кв.м.), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий [2-12]. За счёт естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., спутник, расположенный на геостационарной орбите, освещён потоком солнечной радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда этот спутник попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме они не превышают 1% от общей продолжительности года.

 

 

 

 

Частота электромагнитных колебаний СВЧ-пучка должна соответствовать тем диапазонам, которые выделены для использования в промышленности, научных исследованиях и медицине. Если эта частота выбрана равной 2,45 ГГц, то метеорологические условия, включая густую облачность и интенсивные осадки, практически не влияют на КПД передачи энергии. Диапазон 5,8 ГГц заманчив, поскольку дает возможность уменьшить размеры передающей и приемной антенн. Однако влияние метеорологических условий здесь уже требует дополнительного изучения.

Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли - порядка 70-75%. При этом диаметр передающей антенны обычно бывает выбран равным 1 км, а наземная ректенна имеет размеры 10 км х 13 км для широты местности 35 град. СКЭС с уровнем выходной мощности 5 ГВт имеет плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны 23 кВт/кв.м., в центре приемной – 230 Вт/кв.м. (рис. 4).

Были исследованы различные типы твёрдотельных и вакуумных СВЧ-генераторов для передающей антенны СКЭС. Вильям Браун показал, в частности, что хорошо освоенные промышленностью магнетроны, предназначенные для СВЧ-печей, могут быть использованы также и в передающих антенных решётках СКЭС, если каждый из них снабдить собственной цепью отрицательной обратной связи по фазе по отношению к внешнему синхронизирующему сигналу (так называемый, Magnetron Directional Amplifier  -  MDA).

Ректенна – высокоэффективная приёмно-преобразующая система, однако низковольтность диодов и необходимость их последовательной коммутации, может приводить к лавинообразным пробоям.  Циклотронный преобразователь энергии позволяет в значительной мере устранить эту проблему [5, 9, 17, 18].

Передающая антенна СКЭС может представлять собой обратно-переизлучающую активную антенную решётку на основе щелевых волноводов. Её грубая ориентация осуществляется механическим путём, для точного наведения СВЧ-пучка используется пилот-сигнал, излучаемый из центра приёмной ректенны и анализируемый на поверхности передающей антенны сетью соответствующих датчиков.

 

ДОСТОИНСТВА СКЭС

 

Остановимся кратко на тех привлекательных сторонах, которые имеет СКЭС, как одна из энергосистем будущего:

 

 

 

НЕМНОЖКО ОБ ИСТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СКЭС

 

Первое десятилетие после появления идеи СКЭС характеризовалось неуклонным ростом интереса со стороны ведущих аэрокосмических фирм – Boeing Aerospace Co., Grumman Aerospace Corp., Rockwell Inc. и др., хотя эти исследования и выполнялись за счёт их внутренних  средств [2].

В 1978-1979 гг. в США под руководством Министерства энергетики (DOE) и НАСА (NASA) осуществлена первая государственная научно-исследовательская программа, направленная на определение перспектив СКЭС [7].  В 1995-1997 гг. НАСА вновь возвращается к обсуждению перспектив СКЭС, опираясь на прогресс технологий, достигнутый к тому времени (A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures, Concept and Technologies) [10].  Эти исследования были продолжены в 1999-2000 гг. (SSP Strategic Research & Technology Program) [11].

            Вероятно, наиболее активно и планомерно исследования в области СКЭС проводила Япония. В 1981 году под руководством проф. М. Нагатомо (Makoto Nagatomo) и проф. С. Сасаки (Susumu Sasaki) в Институте космических исследований Японии были начаты исследования по разработке прототипа СКЭС с уровнем мощности 10 МВт, который мог бы быть создан с использованием существующих ракетоносителей и который позволил бы накопить технологический опыт и подготовить основу для создания коммерческих систем. Проект был назван СКЭС2000 (SPS2000)  [7,  8] и получил признание во многих странах мира.

            Более 25 лет регулярно работает ежегодный всеяпонский симпозиум по космической энергетике. Активны в области СКЭС университет г. Киото (проф. Х. Матсумото – Hiroshi Matsumoto, проф. К. Хашимото – Kozo Hashimoto), университет Хоккайдо (проф. К Ито – Kiyohiko Itoh), университет г. Кобе (проф. Н. Кайя – Nobuyuiki Kaya) и др. В 2003 году университет г. Киото получил статус перспективного центра исследований в области возобновляемых источников энергии (Center of Excellence on Sustainable Energy System).. В 2004 году в том же университете проф. Х. Матсумото организовал Научно-исследовательский институт возобновляемой среды обитания человека (Research Institute for Sustainable Humanosphere). Одним из крупных направлений работ этого института являются исследования по тематике СКЭС.

            Франция, Канада, Россия, Германия и ряд других стран в той или иной мере также проводили исследования в области СКЭС.

 

 

О КОНСТРУКЦИЯХ СКЭС

 

Ранние конструкции СКЭС с уровнем мощности 5 ГВт представляли собой плоскую панель солнечных батарей размером 5 км х 10 км, постоянно ориентированную перпендикулярно потоку солнечной радиации (рис. 3). Передающая антенна диаметром 1 км, связана с основной панелью сочленением типа карданного подвеса, что позволяло этой антенне, вращаясь, быть ориентированной на приемную ректенну, расположенную на поверхности Земли.

            В этих конструкциях использовались Si-фотобатареи или фотобатареи на основе соединения  GaAlAs c КПД порядка 12%.  За прошедшие десятилетия прогресс в области фотобатарей был весьма значительным и сегодня можно говорить о КПД порядка 30-40%, а это означает существенное снижение размеров, веса и стоимости СКЭС. В дальнейшем эта тенденция будет, вероятно, продолжаться в сочетании с новыми принципами и идеями, например такими, как у, так называемых, "звёздных батарей", технические перспективы использования которых будут полнее выявлены в ближайшее время. 

            Современные конструкции полномасштабных СКЭС предполагают отказ от технически сложных и недостаточно надёжных вращающихся узлов и используют  естественный градиент гравитационного поля Земли для стабилизации СКЭС в пространстве. Протяжённая конструкция, длиной 15-20 км (рис. 7), позволяет осуществить постоянную ориентацию СВЧ-пучка вдоль направления, исходящего из центра Земного шара.   

                        СКЭС с вращением конструкции (~1 об./час) позволяют стабилизировать её относительно потока солнечной радиации (рис. 8).      

            Определённый интерес вызвало обсуждение так называемой "сэндвич конструкции", объединяющей фотобатареи и передающую антенну СКЭС  (Рис. 9).  Тонкоплёночные надувные отражатели концентрируют солнечное излучение на той поверхности "сэндвич" структуры, которая содержит фотобатареи. В целом, конструкция может оказаться привлекательной, однако вопросы режекции тепла из внутренних частей "сэндвич" системы должны быть подробно изучены, тем более для диапазона 5,8 ГГц с уменьшенным диаметром антенны и соответственно более высокой плотностью мощности СВЧ-пучка.  


  

 

МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО

 

        Уже накоплен определённый позитивный опыт международного сотрудничества в области управляемого термоядерного синтеза (ITER), создания и использования международной космической станции (ISS), разработки и создания пускового ракетного комплекса "морской старт" (Sea Launch) и др.

Международное сотрудничество подобного типа могло бы оказаться весьма перспективным для разработки и создания экспериментального прототипа СКЭС с уровнем мощности 5-10 МВт. Эти работы, вероятно, займут 10-20 лет и могут быть основаны на использовании существующих или частично модернизированных ракетно-транспортных систем.     

 

Полномасштабные коммерческие СКЭС (5-10 ГВт) будут созданы, скорее всего, не ранее чем через 30-50 лет и потребуют транспортных средств нового поколения с существенно сниженной удельной стоимостью доставки грузов на орбиту. Такие транспортные средства неизбежно появятся в связи с назревающими общими тенденциями промышленного освоения космического пространства. Целенаправленные работы по линии СКЭС могут заметно ускорить этот процесс.

 

        СКЭС – одна из наиболее перспективных, экологически чистых энергосистем будущего, которая не только базируется на широкомасштабном использовании самых современных технологий, но и будет эффективно стимулировать их развитие в дальнейшем. 

  

литература

 

1. Капица П.Л. Электроника больших мощностей - М: Изд. АН СССР, 1962. 

2. Ванке В.А., Лопухин В.М., Саввин В.Л. Проблемы солнечных космических электростанций. - Успехи физических наук, Декабрь 1977, т. 123, вып. 4, с. 633. 

3. Glaser P.E. Power from the Sun: it’s Future. - Science, 1968, vol. 162, p. 857. 

4. Грилихес В.А. Солнечные космические энергостанции. - Л.: Наука, 1986. 

5. Ванке В.А., Лесков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы. - М: Машиностроение, 1990. 

6. Нариманов Е.А. Космические солнечные электростанции. - М.: Знание, 1991.  

7. Нагатомо М., Сасаки С., Наруо Й., Ванке В.А. Работы Института космических исследований Японии области космической энергетики.  - Успехи физических наук, Июнь 1994,  т. 164, с. 631.  

8. Nagatomo M., Sasaki S., Naruo Y. Conceptual Study of a Solar Power Satellite, SPS 2000. -  Proc. ISTS, 1994, Paper No. ISTS-94-e-04. 

9. Vanke V.A., Matsumoto H., Shinohara N., Kita A. Cyclotron Wave Converter of Microwaves into DC. - IEICE Trans. on Electronics (Japan), 1998, vol. E81-C.  No. 7, p. 1136. 

10. Mankins J.C. A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures,  Concept and Technologies, (1997) - http://www.spacefuture.com/archive/a_fresh_look_at_space_solar_power_new_archit 

11. Mankins J.C. The Promise and the Challenge of Space Solar Power. - July 2003, Japan/US Workshop, Kyoto Univ., Japan.

12. Boswell D. Whatever happened to solar power satellites?  - The Space Review, August 10, 2004,   http://www.thespacereview.com/article/214/1 

13. The Proceedings of the 8th SPS Symposium. - Sept. 2005, Kyoto Univ., Japan. 

14. The Proceedings of the 25th Space Energy Symposium. - March 10, 2006, ISAS/JAXA, Japan. 

15. URSI White Paper on Solar Power Satellite (SPS) Systems. -  URSI Inter-commission Working Group on SPS. - September 2006, http://www.ursi.ca/SPS-2006sept.pdf 

16. Щелкунов Г.П. Солнечная энергетика, глобальные проекты - Электроника: Н Т Б, 2002, № 6, с. 36. 

17. Будзинский Ю., Быковский С., Ванке В. Нетрадиционная вакуумная СВЧ-электроника на основе поперечных волн электронного потока. - Электроника: НТБ, 2005, № 4, с. 38. 

18. Ванке В.А. Поперечные волны электронного потока в микроволновой электронике. -  Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 9, с. 957. 

19.  Ванке В.  СВЧ-электроника – перспективы в космической энергетике. - Электроника: НТБ, 2007, № 5, с. 98

xxx