Особенности создания альтернативного источника энергии ... типа – солнечной космической электростанции

Особенности создания альтернативного источника энергии нового
типа – солнечной космической электростанции
АНОНС: В данной статье рассмотрены актуальность альтернативных
источников энергии, перспективы использования возобновляемой источники
энергии и проведен анализа состояния новых технологий возобновляемой
энергетики, а также рассмотрены механизм реализации внедрения этих
технологий в системах энергообеспечения различных объектов в Республике
Казахстан.
Энергетика сегодня является важнейшей движущей силой мирового
экономического прогресса, и от ее состояния напрямую зависит благополучие
миллиардов жителей планеты. Энергопотребление в начале XXI века демонстрирует устойчивую тенденцию роста во всех регионах и странах мира.
В настоящее время поиск и активное использование новых
альтернативных источников энергии во многих развитых странах мира приняты
в качестве жизненно важных,
стратегически необходимых ресурсов,
обеспечивающих перспективное развитие экономик этих стран. За тридцать
пять лет (с 1971 по 2013 год) энергопотребление выросло более чем в 2 раза.
Лишь за последние 10 лет оно увеличилось на 11%. Если посмотреть на
структурные составляющие мировой энергетики, то можно видеть, что на
86,8% потребности обеспечиваются за счет полезных ископаемых
энергоносителей - угля, нефти, газа и урана, и только 13,2% приходится на
долю альтернативных энергоносителей. При этом тенденции изменения в
составе энергетических ресурсов на глобальном уровне развиваются крайне
медленными темпами. Так, с 1980 г. доля нефти в общей структуре
энергоресурсов снизилась с 46 до 35%. [1]
C начала XXI века проблема производства возобновляемых,
неисчерпаемых и в то же время не наносящих непоправимый ущерб экологии
источников энергии, переводит проблему поиска существующих в природе из
разряда любительских и содержащих аспекты научной фантастики в насущный
вопрос, который требует решения. В которой любой даже незначительный
результат получения дешевой, постоянной, доступной электроэнергии
переводит в область высоконаучных, инновационных технологий. Мы давно
видим попытки ученых создать машины, которые движутся благодаря
солнечной энергии, с помощью ветряных турбин добывают механическую и
тепловую энергию, гидроэлектростанции используют как источник
электроэнергии. В мире существуют целые населенные пункты, где используют
энергию ветра с помощью ветряных турбин. Среди ведущих производителей
ветряной энергии такие страны как Германия, США, Дания и Испания. Индия и
Китай развиваются в этом направлении. В США на разработку альтернативных
источников энергии в 2005 году выделено из федерального бюджета $275 млн.,
в Японии – ежегодно 30 млрд. йен (около$273 млн.), а европейский бюджет
исследований возобновляемой источники энергии превышает 2 млрд. евро
(период 2002-2006 годы).
Казахстан не стал исключением, мы активно перенимаем опыт зарубежных стран, а также сами хотим преуспеть в этой отрасли, тому служит
примером наша победа в конкурсе на право проведении выставки Expo-2017
Энергия будущего, а также проводятся исследовательские работы для
строительства ветряных турбин в Казахстане. Expo-2017 серьезная площадка
для талантливых, креативных и гениальных ученых, способных создать
энергию будущего. Многие страны задумались и поставили перед собой цель,
как использовать энергию солнца, ветра и воды, неиссякаемых источников
энергии, для того чтобы в дальнейшем быть энергетически независимыми пока
нефть, уголь и газ не исчерпали себя.
В Казахстане сосредоточено 88,6% угля, нефти - 86%, газа - 32% от
общего количества разведанных в регионе запасов. Наряду со значительными
запасами ископаемого органического топлива Республика Казахстан обладает и
обширными запасами возобновляемых ресурсов и источников энергии
(солнечной, ветровой, гидравлической, геотермальной, энергии биомассы и
ТБО, водородной и др. альтернативной энергетики). Технический потенциал
возобновляемых ресурсов и источников энергии только по ветру составляет
около 1 820 млрд. кВт·ч в год, что в 25 раз превышает объем потребления всех
топливно-энергетических ресурсов Республики Казахстан, а экономический
потенциал определен более чем в 110 млрд. кВт·ч, что в 1,5 раза больше
годового внутреннего потребления энергоресурсов в Республики Казахстан. В
этой связи, вопросы эффективного использования возобновляемых ресурсов
рассматриваются как задача на будущее, в том числе дано поручение
Президента Республики Казахстан о необходимости выработки Правительству
подходов к решению этой проблемы [2].
Проблемы современной энергетики хорошо известны: ограниченность
природных ресурсов, вредные выбросы в атмосферу, утилизация
радиоактивных отходов АЭС и др. Одно из перспективных направлений в
решении этих проблем - использование солнечного излучения как уже
существующего, неисчерпаемого и экологически чистого источника энергии
[3]. Солнечное излучение – экологически чистый и возобновляемый источник
энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей
на Землю энергии составляет 1,05⋅1018кВт⋅ч, из них 2⋅1017кВт⋅ч приходится на
поверхность суши. Из этого количества энергии 1,62⋅1016кВт⋅ч в год могут быть
использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию
2⋅1012 т условного топлива (т у.т.) в год. Последняя цифра в 60 раз превышает
прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на
земном шаре (34,2 млрд т у.т.) [4].
К сожалению, эффективность наземных устройств преобразования
солнечной энергии в электрическую во многом зависит от погодных условий, и
работают они только в светлое время суток [3]. Альтернативным решением
могло бы стать размещение солнечной электростанции на геоцентрической
орбите, совпадающей с плоскостью экватора. Концепция солнечной
космической электростанции предполагает размещать крупные панели
солнечных батарей на геостационарной орбите (ГСО), а вырабатываемую ими
энергию (5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли пучком СВЧ-излучения
(или лазерного излучения) с низкой расходимостью, преобразовывать ее затем
в энергию постоянного или переменного тока технической частоты, и раздавать
потребителям. Такая схема позволяет использовать интенсивный поток
солнечного излучения, существующий на ГСО (≈1,4 кВт/м2), и передавать
полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от
времени суток и погодных условий (рис.1) [5].
Рисунок 1. Передача солнечной энергии на Землю
Экологическая опасность космических солнечных электростанций
(КСЭС) большой мощности, рассматриваемая в сравнении с опасностью от
ядерных, тепловых и гидроэлектростанций, оказывается значительно меньшей.
Чернобыль и Фукусимо ярко продемонстрировали катастрофические
последствия аварий на АЭС. Тепловое воздействие на окружающую среду от
тепловых электростанций по всему миру составляет величину порядка 10 ТВт,
что уже привело к дестабилизации погоды. Их эксплуатация сопровождается
выбросами серы, сурьмы, мышьяка, тяжёлых металлов и других ядовитых
соединений,
приведших к заметной потере плодородия почв.
Гидроэлектростанции перегораживанием рек и затоплением больших
территорий, наносят непоправимый ущерб сельскому и рыбному хозяйству.
Переводом наземной энергетики на КСЭС все эти проблемы устраняются.
Помимо альтернативы тепловым, атомным и гидроэлектростанциям,
появляются новые возможности использования КСЭС: энергоснабжение
удалённых и труднодоступных
районов при отсутствии необходимой
кабельной сети (районы Крайнего Севера России, Канады, Гренландии, горные
районы, пустыни, места стихийных бедствий и катастроф); решение проблемы
пиковых нагрузок; зарубежные поставки; новые подходы к стратегии и тактике
оборонных задач; решение проблемы астероидной опасности; энергоснабжение
Луны, Марса и других космических тел, а также космических аппаратов.
Актуальность проблемы показало падение астероида в Челябинске. Оценки
показывают, что воздействие лазерного излучения от КСЭС мощностью 1 ГВт
= 109 Вт на астероид массой 109 кг = 106 тонн сообщит ему ускорение порядка
10-3 м/сек2, что при длительном воздействии может существенно изменить его
траекторию [6].
В последние годы возрос интерес к лазерным КСЭС в связи с успехами в
разработке инфракрасных полупроводниковых лазеров (длина волны
порядка 1 микрона) и волоконных лазеров, которые существенно эффективнее
СВЧ метода. В них КПД преобразования электроэнергии в инфракрасный
лазерный сигнал до 80 %; значительно снижается расходимость (10-6 рад)
лазерного луча по сравнению с СВЧ- сигналом (с геостационарной орбиты на
Землю лазер даёт пятно 36м, СВЧ  15-20 км). Реальные достижения в
миниатюризации элементной базы позволяют по световоду диаметром 250
микрон передавать световую мощность 25 кВт [7].
Для обеспечения эффективного использования возобновляемых ресурсов
и источников энергии как фактора устойчивого развития экономики
Республики Казахстан, Министерством охраны окружающей среды в
соответствии с Концепцией перехода Республики Казахстан к устойчивому
развитию на 2007-2024 годы, одобренной Указом Президента Республики
Казахстан от 14 ноября 2006 года № 216 разработана Стратегия «Эффективное
использованиеэнергии и возобновляемых ресурсов Республики Казахстан в
целях устойчивого развития до2024 года». В ходе реализации Стратегии
прогнозируется достижение следующих результатов:
- повышение доли использования альтернативных источников энергии в
Республике Казахстан до 0,05 % к 2012 году, 5 % к 2018 году, 10 % к 2024
году;
- обеспечение замещения альтернативными источниками энергии к 2009
году 0,065 млн. тонн условного топлива, к 2012 году – 0,165 млн. тонн у. т., к
2018 году – 0,325 млн. тонн у. т., к 2024году – 0,688 млн. тонн у. т. и к 2030
году – 1,139 млн. тонн у. т.;
- повышение показателя эффективности использования ресурсов (ЭИР)
до 33% к 2009году,т37 % к 2012 году, 43 % к 2018 году, 53 % к 2024 году;
- внедрение пилотных проектов по прорывным энергетическим
технологиям (водородная энергетика и другие);
- снижение выбросов парниковых газов в Республике Казахстан.
Прогнозируется,
что доля альтернативной энергетики (солнечной,
ветряной, приливной, гелиоэнергетики и т.п.) в мировом энергопотреблении
будет ежегодно возрастать и к 2030 г. составит 30%, к 2050 г. – 50%. Однако,
несмотря на многообещающие результаты, альтернативные источники энергии
пока еще не нашли на уровень оптимального соответствия ожиданиям
массового потребителя [8].
Литература
1. Школьник В. Переспективы энергетики Казахстана в свете мировых
тенденции энергетического развития. Kazenergy№8-9(11), 2007.
2. Проект «Программы эффективного и рационального использования
возобновляемых источников энергии» - Поручение Президента Республики
Казахстан Правительству от 28 августа 2006 года №3392.
3. Ванке В.А. СВЧ-электроника — перспективы в космической энергетике //
Электроника. Наука. Технология. Бизнес. - 2007. -№5.
4. Мировая энергетика: Прогноз развития до 2020 года / Под ред. Ю.И.
Старшинова. М.: Энергия, 1980. C. 135.
5. Ермолдина Г.Т., Сысоев В.К., Суйменбаева Ж.Б., Гусейнов С.Р., Бапышев
А.М. К вопросу создания системы управления наземным сегментом солнечной
космической электростанции
и обеспечения безопасности прохождения
лазерного пучка на наземный пункт приёма излучения // Вестник КазНТУ. –
2015. -№4. – С.318-327.
6. Мельников В.М. Особенности создания и применения космических
солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1-10 ГВт на волоконных
лазерах с солнечной накачкой // Автономная энергетика. - 2014. - №32.
7. Райкунов Г.Г., Верлан А.А., Мельников В.М., Пичхадзе К.М., Сысоев
В.К., Харлов Б.Н. Преимущества космических солнечных электростанций с
лазерным каналом передачи энергии // «Известия РАН» Энергетика. - 2012. № 5. - С. 38 - 47.
8. Балгабаева Л.Ш., Киселева
О.В. Обзор состояния и тенденции
использования энергии возобновляемых источников в Республике Казахстан //
Вестник КазНТУ. - 2015. - №5. - С.107-110.