приложенном файле - Международный институт новых

ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, гл. здание, ауд.51
14 апреля в 15:00
СЕМИНАР ПО ПРОБЛЕМАМ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
ТЕЗИСЫ:
Ключевые проблемы резервного энергообеспечения АПП подводного
базирования типа «АПП_Шельф» на базе гибридной спутниковоаэростатной электростанции
Н.Ф. Сайфуллин Координатор программы "Иной Контин(г)ент" ("Автономные планетные
поселения" (АПП)), председатель секции "Планетонавтика" им. Э.Л. Акима МОИП
Программа международного партнерства «Иной Контин(г)ент» (www.inocont.net )
направлена на превентивное создание и испытания в экстремальных природноклиматических условиях на Земле и в космосе эталонных моделей жизнедеятельности и
комплексной инфраструктуры автономных планетных поселений (АПП).
Решением Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновационному
развитию от 01 апреля 2011 года Технологическая платформа «Освоение океана», в составе
которой намечается создание автономного научно-производственного комплекса подводного
базирования типа «АПП_Шельф», включена в перечень приоритетных направлений научнотехнического развития Российской Федерации." (источник инфо).
Одним из аспектов реализации Программы является резервное энергообеспечение
различных АПП на базе орбитальных солнечных электростанций (ОСЭС); но уже по новой
альтернативной системе ОСЭС, а именно – гибридной спутниково-аэростатной схеме
(ГСАЭ) (приблизительный аналог от НПО им. С.А. Лавочкина - см. «Электростанция на
орбите Земли» ).
«АПП_Шельф» (Объект) создается в целях комплексной отработки:
1) фундаментальных аспектов жизнедеятельности участников освоения планет и
поселений подводного базирования;
2) технологических основ
континентальном шельфе Арктики;
разведки
и
добычи
полезных
ископаемых
на
3) основных систем инженерной инфраструктуры автономных поселений в условиях
Арктики и Антарктиды и поселений подводного базирования;
4) научной программы мониторинга и прогнозирования геоклиматических условий в
Арктике и Антарктиде.
В связи с поставленными целями, «АПП_Шельф» выполняет функции полигона для
комплексной отработки:
1) технологических основ разведки и добычи твердых полезных ископаемых на
континентальном шельфе, в т.ч.:
1.1 мониторинг акватории;
1.2 диагностика внешних сетей (коммуникационных линий);
2) фундаментальных и технологических основ гибридного спутниково-аэростатного
энергоснабжения подводных потребителей из космоса, в т.ч.:
2.1. создание и отладка взаимодействия космической, атмосферной, наземной и
подводной инфраструктур космического солнечного электроснабжения;
2.2. апробация систем сверхпроводящей системы электропередач ("Земля шельф");
3) основных систем инженерной инфраструктуры автономных поселений для Заполярья
и поселений подводного базирования;
4) социокультурных и социально-психологических аспектов жизнедеятельности
обитателей автономных планетных поселений и поселений подводного базирования;
5) технологических регламентов, протоколов и форматов комплексной коммуникации,
конфигурации и режимов эксплуатации комплексных систем автономной жизнедеятельности
в подводных условиях;
6) научной программы мониторинга и прогнозирования гео- и биоклиматических
условий в Арктике, о. Байкал…
«АПП_Шельф» представляет собой автономный научно-технологический комплекс,
размещаемый на глубине 250-350 м под толщей шельфового льда (толщина льда ок. 10 м).
Системы жизнеобеспечения комплекса предназначены для создания комфортных условий
постоянной работы и проживания (полноформатных) около 40 семей средней численностью
до 6 чел. Общая площадь территории собственно комплекса – ок 2 га, «ареал присутствия» –
ок. 250 тыс кв. км…
Варианты размещения «АПП_Шельф»: континентальный шельф акватории о-ва
Западный Шпицберген, оз. Байкал и т.п. (глубина ок. 350 м). Объект разместить в центре
«зоны отчуждения» диам. ок. 1,5 км (свободной от авиационных коридоров на высотах до 5
км и стратегических наземных коммуникаций). Выбор места размещения в регионе провести
с учетом:

перспективы присоединения местных энергопотребителей к Объекту;

траектории группировки спутников-излучателей на высокоэллиптической орбите
Общие вопросы, связанные с энергообеспечением «АПП_Шельф» от гибридной
спутниково-аэростатной электростанции, включают:
1. Определение баллистических параметров высокоэллиптических орбит геосинхронных
спутников ГСАЭ с выдачей рекомендаций по координатам «АПП_Шельф» и др.
техтребования к Объекту как элементу наземной инфраструктуры ГСАЭ.
2. Рекомендации по способам выведения на орбиту геосинхронных спутников ГСАЭ,
технико-экономические оценки.
3. Комплексная безопасность системы ««АПП_Шельф»- ГСАЭ», особые условия к
проектированию.
4. Управление группировкой спутников ГСАЭ и их юстировка по отношению к
дискообразному аэростату-ректенне (баз. высота аэростата ок. 4 км, лазерная
мишень).
5. Ветро-, радиационная и др. нагрузки на элементы ГСАЭ, выдача рекомендаций по
материалам, управлению и др.
6. Собственные энергозатраты на эксплуатацию ГСАЭ.
7. Однопроводная передача э\э «воздух – земля – шельф».
8. Сверхпроводящая система электропередач «земля – шельф».
9. Массо-габаритные, стоимостные оценки.
10. Рекомендации по применению роботов, экзоскелетов и т.п.
11. Особенности струнного транспорта подводного назначения.
12. Алгоритмы и программы для прочностных расчетов, гидро- и аэродинамики, расчетов
уплотнений и шлюзов и т.п.
13. Выбор и испытания солнечных батарей, АФАР (ректенн) и др. элементной базы.
14. Трос-кабель: конструкция и эксплуатация, риски.
15. Подготовка кадров; темы дипломных и диссертационных работ по комплексу
««АПП_Шельф»- ГСАЭ».
16. Потенциальные партнеры1.
Проект «космическая энергетика» на базе системы геосинхронных
(сверх)низкоорбитальных космических аппаратов (СГНКА)
В.И.Бодякин E-mail: [email protected]
Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН
Постановка задачи.2 Солнечное излучение  экологически чистый и возобновляемый
источник энергии. Запасы солнечной энергии намного больше, чем человеческие
потребности в обозримом будущем, однако использование этой энергии для производства
электричества в крупных размерах сопряжено с большими трудностями, особенно в странах,
расположенных в высоких широтах. Главные из этих трудностей  низкая плотность
солнечной радиации на поверхности Земли и прерывистый характер ее поступления (ночное
время суток, облачность, пасмурные дни). Совершенно иных результатов можно было бы
достичь отказавшись от наземных солнечных электростанций и размещая их на орбите в
космосе. Там Солнце светит круглосуточно, нет облаков и мощность солнечной радиации в 2
раза выше, чем на поверхности Земли в ясный полдень. В общем, с единицы площади можно
получить примерно в 10 раз больше энергии, чем на Земле. Стимулом для развития работ в
данном направлении, помимо создания возобновляемого источника энергии, является
решение проблемы сохранения окружающей среды от отходов работы ТЭС и АЭС. Самое
подходящее место для орбитальных солнечных электростанций (ОСЭС) - геосинхронная
орбита. На такой орбите они будут висеть над одной точкой Земли, что упрощает передачу
энергии к потребителям.
Введение. Современные проекты. Как известно [1,2,3], концепция ОСЭС состоит в
функционировании наземно-космической системы, состоящей из трех компонентов:
космической платформы, назначением которой является сбор и преобразование солнечной
энергии в электрическую, канала преобразования электрической энергии в микроволновую
В целом ожидается, что результаты международного партнерства будут предметом совместного патентования
и продвижения на международном рынке, новых тематик для университетов и продукцией инновационных
фирм. Т.е. основой качественно нового направления партнерства ради развития.
2
Этот материал появился после обсуждения данной проблемы Бодякина В.И., Рутковского В.Ю. (ИПУ РАН) с
Семеновым В.Ф., Сайфулиным Н.Ф. (ФГУП Центр Келдыша) и Тучиным А.Г. (ИПМ им. Келдыша РАН) на
рабочем совещании в ИПУ РАН 18.11.08.
1
энергию и ее передачи на Землю; наземного пункта приема микроволновой энергии и
преобразования ее в электрическую. В рамках этой концепции, обычно, рассматривается
спутник (массой 30 000 т) с солнечными батареями площадью 50 км2, который
предполагалось размещать на геостационарной орбите и с помощью передающей антенны
диаметром 1000 м передающей на Землю 5 ГВт электроэнергии на приемную наземную
антенну (ректенну) диаметром 13 км. Хотя детальный анализ данного базового проекта
показывает сложность решения всех технических, экологических и экономических проблем
по созданию СКЭС, но, тем не менее, значительный прогресс в развитии новых технологий в
области солнечных батарей, электроники, композитных материалов, космических систем в
90-х годах, а также современный энергетический кризис, возродили интерес к этой
энергетической системе [2,3].
Объединение концепций СГНКА и ОСЭС открывает качественно новые возможности,
которые устраняют ряд существующих в ОСЭС проблем: экономических, экологических и
проблем безопасности. Решением экономических проблем является использование НКЛ, со
стоимостью вывода и разгона до Первой космической скорости на низких орбитах 1 кг.
массы за 11-20 кВтчас, что примерно соответствует стоимости в 1-2 доллара, при
современной стоимости: минимальной себестоимости в 2 000-5 000$ на низкие орбиты и до
50 000$ для коммерческих запусков на геостационарную орбиту.
Естественно, что вывод ОСЭС на орбиту, а их требуемая масса конструкций может
достигать миллионов тонн, то переход от химических реактивных двигателей на
электрическую тягу НКЛ, это сохранение экологии атмосферы от ее почти полного
разрушения.
Таким образом, использование концепции СГНКА в ОСЭС позволяет существенно
снизить стоимостные затраты и обеспечить сохранность экологии атмосферы. Это два
базовых вопроса для начала практической реализации ОСЭС.
Возможно несколько вариантов ОСЭС (на базе СГНКА). Рассмотрим их.
1-й вариант. ОСЭС находится на обычной спутниковой орбите высотой 1000-2000 км.
Луч СВЧ передается на одну из ректенн на геосинхронном КА на низких орбитах 150-250
км. На КА он преобразуется в электрический ток и по тросу-кабелю НКЛ передается на
Землю, см. рис. 5.
Солнечная
энергия
ОСЭС
Луч СВЧ
КА
ДТ
v1
wКА= wЗ
h=150200 км
w3
Rз
Потреби
тели
Земля
Рис. 5.
В данном варианте уменьшается, по сравнению с наземной, площадь и масса ректенны
на КА, сокращаются потери луча СВЧ на прохождение атмосферы (5-20%). Частично
повышается безопасность при сбоях системы направленности луча СВЧ и освобождаются
земельные площади от наземной ректенны, что немаловажно для плотно заселенных районов
земли.
2-й вариант. ОСЭС (СГНКА) на высотах 200-2000 км. В данном варианте из схемы
классической ОСЭС исключается процесс преобразования электрической энергии в СВЧ и
обратного преобразования СВЧ в электрическую энергию, см. рис. 6.
КА
ОСЭС
ОСЭС
Солнечная
энергия
v1
ОСЭС
ДТ
wКА= wЗ
h=2002000 км
w3
Rз
Потреби
тели
Земля
Рис. 6.
В такой схеме уменьшается вес необходимого оборудования на орбите на 40-50%
(антенна СВЧ, поворотные механизмы и преобразователи электричества в СВЧ) и на 40-60%
уменьшаются потери при передаче энергии (электричество – СВЧ и обратное СВЧ 
электричество). При этом, уменьшается опасность от расфокусировки луча СВЧ и его
воздействия на поверхность земли, при классической схеме. Снимаются возможные
негативные проблемы взаимодействия луча СВЧ с атмосферой в определенных состояниях.
Снимается террористическая угроза.
Применение НКЛ также снимает проблему крупногабаритности конструкции.
Поднимать на орбиту можно уже развернутые конструкции размером десятки на сотни
метров. Это облегчает сами конструкции, уменьшает их сложность и снимает необходимость
в создании специальных сборочно-монтажных межорбитальных транспортных и
эксплуатационных космических комплексов. Что в конечном счете уменьшает общую
стоимость (до 2-х раз) и сокращает время разворачивания ОСЭС на орбите (до 10-х раз).
Проблемы с увеличением длины троса-кабеля НКЛ до 2000 км могут быть решены за
счет появления новых материалов с высокотемпературной проводимостью, а также за счет
создания реактивных сил в полом цилиндрическом тросе-кабеле из наноткани (см. [6]).
3-й вариант. ОСЭС-ЛЭП (СГНКА) эффективное перераспределение электрической
энергии. На Земле существует довольно неравномерное распределение источников и
потребителей электроэнергии. Передача энергии по существующим линиям электропередач
(ЛЭП) неэффективна на расстояниях больших 2000 - 3000 км. Как следствие, цена в разных
странах сильно различается: в Южной Кореи электроэнергия стоит 26.4 цент/ кВтчас, в
Японии - 19.1 цент/кВтчас, в Италии – 16.4 цент/кВтчас, в Германии – 13.5 цент/кВтчас, в
ЮАР она - 3 цента за кВт/ч, в Канаде - 4.3 цент/кВтчас.
Потому используя электропроводящее динамическое тело СГНКА можно организовать и
передачу электроэнергии не только «Космос-КА-Земля», но и «Земля (Космос)-КА-КАЗемля (Космос)». Тем самым, сделав экономичски выгодной возможность более
равномерного распределения электроэнергии между различными регионами планеты, см.
рис. 7. Потенциальный рынок данной ОСЭС-ЛЭП  сотни миллиардов долларов.
ОСЭС
ОСЭС
КА
Солнечная
энергия
v1
ОСЭС
ДТ
wКА= wЗ
h=2002000 км
Потребители –
источники
Потребители –
источники
Rз
Земля
Потребители –
источники
Рис. 7.
4-й вариант. Солнечно-синхронный концентратор на солнечной орбите связанный с
земной ОСЭС (СГНКА). Отметим, что при приближении к Солнцу плотность потока
лучистой энергии возрастает с 1,4 кВт/м2 до предельного значения, равного 65 тыс. кВт/м2.
Перспективное направление исследований по космическим солнечным электростанциям
связано с вынесением приемников солнечной энергии в области повышенной солнечной
радиации. При выведении космической электростанции на круговую околосолнечную
орбиту радиусом 0,1 а. е. (14,96 млн. км) мощность потока лучистой энергии составит 140
кВт/м2, т. е. будет больше солнечной постоянной на два порядка.
Примерно, на орбите Меркурия разворачиваются отражатели (концентраторы)
солнечного излучения, которые вращаются по принципу СГНК геосинхронно (1 оборот /
земной год) и направлены на околоземные отражатели, которые перенаправляют
концентрированную солнечную энергию на систему земных ОСЭС, см. рис. 8.
w = 1 год
Меркурий
w = 1 год
Земля
Солнце
Рис. 8.
Такая схема позволяет повысить плотность солнечной энергии на поверхности
преобразователей ОСЭС в сотни и тысячи раз. В результате, при то же мощности ОСЭС,
площади и вес ее преобразователей солнечной энергии может быть уменьшен,
соответственно, в сотни и тысячи раз. Но практическая реализация этого варианта, видимо
далекое будущее.
Расчет эффективности реализации и эксплуатации ОСЭС (СГНКА) (по 2-му
варианту). При полезной мощности в 5 млн. кВт (мощность Красноярской ГЭС - 6 ГВт)
масса станций ОСЭС на рабочей орбите оценивается в 10 тонн.
При КПД солнечных батарей в 20% электрическая мощность будет 270 Вт/кв.м. Вес
тонкопленочной конструкции без механизмов разворачивания - 20 г/кв.м. Для 5 ГВт нужны
20 кв.км общей площади батарей и общим весом 10 тонн. Общий вес СГНКА 10 тонн. При
этом, 1 кг массы ДТ, на 16 км/с, способен уравновешивать силу тяжести до 3 масс полезной
нагрузки (КА или ОСЭС). Общая масса ДТ 3300 кг для поддержания панелей батарей
ОСЭС. ДТ 1700 кг для компенсации общей массы КА в 4000 кг.
Для выведения на низкую круговую орбиту 10 тонн первой СГНКА можно
использовать любой ракетоноситель («Ангара», «Протон», «Прогресс»), при этом, при
стоимости выведения 5 000 долл/кг необходимо первоначально разово затратить 50
млн.долл. Разворачивание СГНКА и установление НКЛ будет осуществляться
автоматически в течение месяца.
После запуска и разворачивания СГНКА, посредством НКЛ осуществляется подъем и
вывод на орбиту ОСЭС. Стоимость вывода ОСЭС  10 тыс.долл., что много меньше
стоимости вывода СГНКА.
Каждый из 1000 КА поддерживает солнечную батарею размером 140*150 м. Общая
мощность, передаваемая по тросу-кабелю НКЛ  4 МВт. Существующие
высокотемпературные проводники (ВТСП) фирмы Alcatel способны при температуре
жидкого азота пропускать токи плотностью до 20кА/см2 (Bi-2223). Что вполне достаточно
для пропускания по тросу-кабелю НКЛ  4 МВт при напряжении в сотни вольт.
Таким образом, при использовании СГНКА, основной базой, определяющей стоимость
одного произведенного кВтч,
является стоимость оборудования и материалов.
Сдерживающая ранее стоимость вывода на орбиту килограмма массы в 2 000-50 000$, с
введением в эксплуатацию СГНКА уйдет в прошлое. Стоимость материалов и оборудования
с развитием научно-технического прогресса будет только уменьшаться.
Стоимость НИРовской и НИОКРовской разработки СГНКА нами оценивается в 2 и 7
млрд.долл. Время разработки 3-5 лет. Стоимость оборудования СГНКА  10-15 млрд.долл. с
тенденцией последующего уменьшения. Время эксплуатации СГНКА 20-30 лет. Далее ее
конструкция морально устаревает и надо переходить к новой современной реализации
СГНКА. Отметим, что вторую и последующие очереди СГНКА можно выводить на орбиту
используя первую. В результате, все стоимости последующих поднятий на высоту орбиты и
выводов на орбиту и разгона на ней до Первой космической будут  1 кВтч и 11 кВтч на 1
кг массы оборудования, соответственно.
Стоимость рассмотренной ОСЭС определяется в основном стоимостью солнечных
батарей. Если взять стоимостью солнечных батарей в 20$/кв.м, то стоимость ОСЭС будет
порядка 30 млрд.долл. При этом стоимость 1 кВт = 65$. Если приять стоимость 1 кВтч в 0,1
$, то ОСЭС + СГНКА окупится в течение 2-3 месяцев эксплуатации, а дальнейшая
эксплуатация, в течение 20-30 лет, будет приносить чистую прибыль по 200 млрд.долл./год.
Давая общую прибыль в 4-6 трлн.долл.
Заключение. Таким образом, можно сделать вывод: создание солнечных космических
электростанций (ОСЭС) представляет собой реализуемую задачу, на пути решения которой
нет непреодолимых трудностей. Несомненно, что доля возобновляемых источников
энергии, среди которых солнечная энергия играет основную роль, будет неуклонно расти
и, по прогнозам, к концу XXI в. может составить более 65%. Существенно повлиять на
указанные сроки могут надвигающееся истощение минеральных тепловых ресурсов. В
любом случае проект космической электростанции обещает быть одним из основных
участников "альтернативной" гонки, на финише которой человечество ожидает увидеть
решение своих энергетических проблем.
Использованная литература и материалы
1. Сысоев В.К. Анализ архитектуры лазерного информационно-измерительного канала
дистанционной передачи энергии в космосе // Исследовано в России, МФТИ, 2007г
2. Нагамато М., Сакаси С., Наруо И., Ванке В. А. «Работа института космических
исследований в области космической энергетики» УФН, 1994, –Т.164. –№6. –С.631-641.
3. Уманский С.П. Космические орбиты. – М.: Просвещение, 1996.
4. Ванке В.А., Лопухин В.М., Саввин В.Л. Проблемы солнечных космических
электростанций. - Успехи физических наук, Декабрь 1977, т. 123, вып. 4, с. 633.
5. Нариманов Е.А. Космические солнечные электростанции. - М.: Знание, 1991.