Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Космически електроцентрали
Нека се абстрахираме замалко от времето навън и си представим, че е хубав и ясен ден, а слънцето грее високо в небето. В един... Космически електроцентрали

Нека се абстрахираме замалко от времето навън и си представим, че е хубав и ясен ден, а слънцето грее високо в небето. В един такъв прекрасен ден всяка секунда на всеки квадратен метър от земята около нас падат около 1 360 J чиста енергия от слънчевите лъчи.

Нека сме в поле с площта на Софийската котловина (1 180 km^2), да речем, и това поле е покрито цялото с панели, които имат способността да превръщат слънчевата енергия в електрическа енергия без загуби. Тогава само за един-единствен час тези панели ще произведат около 1,6 тераватчаса електроенергия или с други думи около 1/33 от електрическата енергия, която България произвежда за една година (към 2011 г). При това без някой да си мръдне пръста и напълно екологично. Но защо тогава инсталациите със слънчеви панели, които са ни отдавна известни, все още не са разрешили енергийния проблем на човечеството?

Както често се случва, същественото и тук е скрито в подробностите. Така описаната по-горе картина илюстрира една идеална ситуация, но ние живеем в свят, който не е идеален. В реалността слънчевите лъчи много рядко падат перпендикулярно на земната повърхност – най-често слънцето се намира на някакъв ъгъл над хоризонта, по-малък от 90 градуса. В такъв случай слънчевата енергия, достигаща до панелите, е по-малко от 1 360 J/s.m^2 и зависи от синуса на ъгъла, на който се намира слънцето над хоризонта.

Когато слънчевата светлина пада под ъгъл спрямо земята, тя се разпределя върху по-голяма площ, т.е. осветеността върху единица площ намалява.Изображение: www.windows2universe.org / Randy Russell

Слънчевото греене е с максимален интензитет по пладне, когато слънцето е най-високо, но дори тогава лъчите му не сключват прав ъгъл със земята. За географската ширина на България например този ъгъл е максимално около 72 градуса (за лятното слънцестоене) и минимално 26 градуса (през зимното слънцестоене) или средно за годината около 49 градуса височина на слънцето по пладне. Това е причината слънчевите панели да се поставят на такъв ъгъл, ориентирани на юг, което гарантира максимум на усвояваната енергия за една година.

Освен това има загуби и в атмосферата. Цитираните горе 1 360 J/s.m^2 са валидни, при условие че пренебрегнем поглъщането и разсейването на светлина от въздуха. Обаче средно в атмосферата се губи около 30 % от това число, а в мрачни дни като тези напоследък процентът е още по-голям. Всъщност количеството слънчева енергия, което пада през деня средно за секунда на квадратен метър за района на България според картата по-долу, е едва 330 J.

Изображение: доц. Ст. Шарков

Което също хич не е малко, ако се замислим. Но… Тук има още една уловка. Както добре виждате на снимки като тази долу, слънчевите панели отразяват огледално светлина.

Това е лошо. Идеалният слънчев панел трябва да поглъща всичко каквото пада върху него и да изглежда черен като катран. Освен това не цялата енергия от слънчевите лъчи може да се преобразува в електричество. Самият слънчев панел също не е напълно ефективен в превръщането на слънчева енергия в електрическа и той внася допълнителни загуби освен досега разгледаните. Реално едва 10-20 % от падащата слънчева енергия може да се превърне в електричество. Така че в най-добрия случай от един квадратен метър слънчев панел в България може да се очаква, че ще се произведат около 280 киловатчаса годишно – т.е. средно само 64 J/s.m^2 от получаваните от слънцето 1 360 J/s.m^2 се оползотворяват.

Излиза, че можем да усвоим едва няколко процента от слънчевата енергия, но тази енергия все пак е напълно свободна и безплатна. Защо тогава хората строят замърсяващи ТЕЦ и АЕЦ, а не разчитат на зелената енергия? Може би най-често изтъкваният аргумент срещу соларните инсталации е все още високата им производствена цена. Трябва да отбележим обаче, че спрямо първите масово произвеждани панели през 70-те, цената на днешните панели е намаляла около сто пъти и продължава да намалява. Вероятно в скоро бъдеще производството на слънчева електроенергия ще стане конкурентно на конвенционалната електроенергия, макар че засега тя е с пъти по-скъпа от произведената в АЕЦ например.

Има обаче други два проблема, които се явяват голяма пречка пред бъдещата роля на соларни инсталации като основен енергоизточник на човечеството. Непреодолим поне засега изглежда очевидния недостатък на слънчевата енергия – тя зависи от слънцето. Потреблението на електроенергия също донякъде зависи от слънцето, но връзката е обратна – колкото по-студено и тъмно е, толкова по-висока е консумацията. Производството на слънчева електроенергия е функция на климатичните фактори, които са непредвидими, а това означава, че на нея не може да разчита. Необходими са батерийни инсталации, които от своя страна също не са евтини, подменят се през определено време и с две думи оскъпяват още производството на електроенергия.

Другият нерешен въпрос, който поне на пръв поглед не изглежда сериозен, е обусловен от недостатъчната ефективност на панелите. За да се произведе необходимото количество електроенергия, е необходимо панелите да се разполагат в равни местности с голяма площ. Ако вие имате предприятие, което развива индустриална дейност, и искате да обезпечите електрическата консумация на предприятието чрез соларна инсталация, би могло да се окаже, че трябва да закупите терен с площ, надвишаваща площта на терена на собственото ви предприятие. Това е една немалка инвестиция, допълнително оскъпяваща и без това скъпата покупка на слънчеви панели. При това се губи земя, която би могла да бъде използвана за земеделие например, а това не е привлекателно за урбанизирани страни с малка площ, неразполагащи с пустинни местности в територията си.

На база на всичко, което казахме дотук, можем да заключим, че в бъдеще слънчевите инсталации ще стават все по-разпространени, но главно като локални енергоизточници, без възможност да се заемат челно място в производството на електроенергия. Освен ако…

Освен ако не разположим панелите в космоса! Да. Основните проблеми на слънчевите панели идват от факта, че те се намират на земята. В орбита около Земята обаче няма загуби от атмосферата, климатът не е фактор, панелите биха могли да се завъртат, така че слънчевата светлина да пада перпендикулярно върху тях (всичките 1360 J/s.m^2), периодът на засенчване от Земята е кратък, има предостатъчно място, за да се разположат огромно количество панели, които няма да пречат никому…

Фантастично звучи тази идея, но всъщност тя е разглеждана съвсем сериозно още от времето на първите космически полети. Нещо повече – космическите агенции на водещи технологични държави имат собствени програми за космически електроцентрали, които поне на хартия са в напреднала фаза. В миналата си статия ви разказах за амбициите на Япония да изчисти космическия боклук около Земята. Оказва се, че тази страна – бедна на ресурси и с ужасяващ опит в усвояването на атомната енергия – има освен това и план да произвежда електричество в космоса. Програмата на японската агенция JAXA се нарича Space Solar Power System (SSPS) и е хубава илюстрация на всички подобни идеи, затова сега ще ви разкажа малко по-подробно за нея.

В тази програма се предвижда в геостационарна орбита да бъде доставена конструкция с размери 2,6 на 2,4 km, състояща се от панели с размер 100 на 100 m и дебелина 10 cm. Конструкцията е свързана посредством въжета към сателит, намиращ се 10 km над нея. Така получената система е гравитационно стабилизирана – долната част на панелите винаги е насочена към Земята. Средната мощност на светлината, падаща върху квадратен метър от панелите е 870 W, а конструкцията генерира електричество с мощност 1 GW.

Така трябва да изглежда един ден соларният космически комплекс SSPS. Изображение: JAXA

Но за какво ни е толкова ток в космоса и как ще го докараме на Земята? Тук идва най-интересната част. Както казах, долната част на всеки слъчев панел е обърната непрестанно към Земята и на нея е разположена антенна решетка. Целта е електрическата енергия да се преобразува в микровълнова енергия, която да се излъчи чрез антените на панелите към Земята. Цялата енергия ще се фокусира към една наземна станция, която отново ще преобразува мощното микровълново излъчване в електричество. Тъй като соларният комплекс е в геостационарна орбита, той е неподвижен спрямо Земята и трансферът на микровълнова енергия към наземната станция е непрекъснат (с изключение на моментите, когато комплексът е в сянката на Земята). Проектът е в четири фази, първите две от които са експериментални и предвиждат доставянето в ниска орбита на по-малки инсталации (от 10 кW, а на следващия етап – 10 MW).

Но… Практическата реализация дори на първата фаза не се очертава да се случи в обозримо бъдеще (тя трябва да стартира през 2030 г). Извеждането в орбита на гигантска конструкция засега все още е прекалено скъпо, а освен това поетапното й изграждане е нерешен от инженерна гледна точка въпрос. Всъщност към настоящия момент най-мощната соларна инсталация в орбита е тази на Международната космическа станция. Осемте панела на станцията с площ 2 500 m^2 произвеждат електричество с мощност 84 kW, но бяха доставяни в продължение на години и днес поддръжката им е повод за немалко главоболия на екипажа на станцията.


Другият сериозен въпрос пред космическите соларни инсталации е това, че освен за производство на електричество, те могат да се използват и като оръжие за масово поразяване. Мощният микровълнов лъч би могъл да се насочи към която и да е точка от Земята в обхвата на инсталацията. На земята този лъч би поразил район с големина от няколко километра, без видими бързи въздействия върху околната среда и като цяло излагането на него за кратко време не би било животоопасно (изтъква се, че мощността на лъча на подобна инсталация би била към 23 mW/cm^2, което не е прекалено много над допустимия максимум). Ала ако някога такива системи видят бял свят, тендецията ще бъде генерираната мощност да расте, а лъчът им да бъде колкото се може по-фокусиран…

Но така или иначе това е проблем на близкото или далечно бъдеще. За да се сблъскаме с него, трябва първо да решим проблемите на настоящето, един от които е този за свободната енергия.

В този материал е използвана информация от:

http://www.jspacesystems.or.jp/en_project_ssps/

http://www.jaxa.jp/article/interview/vol53/index_e.html

Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

No comments so far.

Be first to leave comment below.

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *