Электроэнергия из космоса

       Установки с принудительной циркуляцией  теплоносителя целесообразно использовать  для горячего водоснабжения крупных  объектов. В них солнечный коллектор  представляет собой большой массив  модулей КСЭ. Эти установки  имеют большую термопроизводительность, но, как правило, они довольно сложны.

       Принципиальная схема установки  с циркуляцией воды в контуре  КСЭ с помощью насоса подачей  холодной воды в бак-аккумулятор  и регулированием температуры  горячей воды, поступающей к потребителю,  путем подмешивания холодной  воды в смесительном клапане  показана на рисунке.

       Солнечные водонагреватели могут  использоваться в качестве первой  ступени для предварительного  подогрева воды в обычных топливных  системах горячего водоснабжения.

       По экономическим соображениям  за счет солнечной энергии  целесообразно покрывать до 80 % нагрузки  горячего водоснабжения, поэтому  необходимо использовать наряду  с коллекторами солнечной энергии  (КСЭ) также дополнительные источники  энергии (ДИЭ).

     В качестве ДИЭ может использоваться электронагреватель или топливный  котел. Для индивидуальных потребителей следует рекомендовать использовать водонагреватели с естественной циркуляцией воды или компактные устройства, поскольку они имеют  хорошую эффективность при невысокой  цене и просты в конструктивном отношении, а следовательно, и надежны.

     7.2. Система солнечного теплоснабжения  зданий  

     Различают активные и пассивные системы  солнечного теплоснабжения зданий. Характерным  признаком активных систем является наличие коллектора солнечной энергии, аккумулятора теплоты, дополнительного  источника энергии, трубопроводов, теплообменников, насосов или вентиляторов и устройств для автоматического контроля и управления. В пассивных системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за счет естественной конверции без применения вентилятора. В странах ЕЭС в 2000 г. пассивные гелиосистемы будут давать экономию 50 млн. т нефти в год.

       В зданиях, в которых предусматривается  эффективное использование солнечной  энергии, должен быть обеспечен  высокий уровень сохранения энергии,  особенно в условиях холодного  климата. При этом мощность  гелиосистемы и дополнительного  источника энергии, а также  их размеры и стоимость будут  минимальными.

     7.3. Пассивные гелиосистемы отопления  зданий  

     Для отопления зданий используются следующие  типы пассивных гелиосистем:

       С прямым улавливанием солнечного  излучения, поступающего через  здания или через примыкающую  к южной стене здания солнечную  теплицу (зимний сад, оранжерею).

       С непрямым улавливанием солнечного  излучения, т.е. с теплоаккумулирующей  стеной, расположенной за остеклением  южного фасада;

       С контуром конвективной циркуляции  воздуха и галечным аккумулятором  теплоты. Кроме того, могут использоваться  гибкие системы, включающие элементы  пассивной и активной гелиосистемы.

       Пассивные системы составляют  интегральную часть самого здания, которое должно проектироваться  таким образом, чтобы обеспечивать  наиболее эффективное использование  солнечной энергии для отопления.  Наряду с окнами и остекленными  поверхностями южного фасада  для улавливания солнечного излучения  также используются остекленные  проемы в крыше и дополнительные  окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта  человека, так как исключают прямое  попадание солнечных лучей в  лицо. Одно из важнейших условий  эффективности работы пассивной  гелиосистемы заключается в правильном  выборе местоположения и ориентации  здания на основе критерия  максимального поступления и  улавливания солнечного излучения  в зимние месяцы.

       Прямое улавливание солнечной  энергии может эффективно осуществляться  при соблюдении следующих условий: 

      1) оптимальная ориентация дома - вдоль оси восток-запад или  с отклонением до 30о от этой  оси;

      2) на южной стороне 50-70 % всех  окон, а на северной - не более  10%, причем южные окна должны  иметь двухслойное остекление, а  северные окна - трехслойное;

       3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери вследствие инфильтрации наружного воздуха;

      4) внутренняя планировка здания  должна обеспечивать расположение  жилых комнат с этой стороны,  а вспомогательных помещений  - с северной;

      5) должна быть обеспечена достаточная  теплоаккумулирующая способность  внутренних стен и пола для  поглощения и аккумулирования  теплоты солнечной энергии;

      6) для предотвращения перегрева  помещений в летний период  над окнами должны быть предусмотрены  навесы, козырьки и т.п.

       КПД такой системы отопления,  как правило составляет 25-30 %, но в особо благоприятных климатических условиях может быть значительно выше и достигать 60 %. Существенным недостатком этой системы являются большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений. Пассивные системы имеют такой же срок службы, как и само здание. Наряду с получением теплоты эти системы также обеспечивают эффективное использование дневного освещения, благодаря чему снижается потребление электроэнергии.

     7.4. Активные гелиосистемы отопления  зданий  

     В состав активной системы солнечного отопления входят коллектор солнечной  энергии, аккумулятор теплоты, дополнительный (резервный) источник энергии, теплообменники для передачи теплоты из КСЭ в  аккумулятор и из него к потребителям, насосы или вентиляторы, трубопроводы с арматурой и комплекс устройств для автоматического управления работой системы. Солнечный коллектор обычно устанавливается на крыше дома, остальное оборудование гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения дома размещается в подвале. Там устанавливаются основной аккумулятор теплоты, теплообменник для подогрева воды, бак для аккумулирования горячей воды, теплообменник для нагрева воздуха для отопления дома, расширительный бак и теплообменник для передачи теплоты от антифриза к воде. Снаружи дома находится теплообменник, предназначенный для сброса избыточного количества уловленной солнечной теплоты в летний период.

       Сравнение активных и пассивных  гелиосистем дает возможность  выявить их преимущества и  недостатки. Преимущества активных  гелиосистем связаны с легкостью  и гибкостью интегрирования систем  со зданием, возможностью автоматического  управления работой системы и  снижением тепловых потерь. Однако  при применении активных гелиосистем  часто возникают проблемы, обусловленные  недостаточной надежностью оборудования, в том числе систем автоматического  управления. В отличии от них пассивные системы просты, надежны в работе и недороги, но они также имеют недостатки. прежде всего возникают трудности с поддержанием температурного режима, необходимого для обеспечения теплового комфорта в отапливаемых помещениях. В гибридных системах можно соединить достоинства активных и пассивных элементов и устранить многие недостатки, повысив тем самым эффективность систем при умеренных капиталовложениях.

     8. Электроэнергия из космоса  

     Идея  сооружения Международной опытной  космической электростанции (КСЭС), подающей электроэнергию земным потребителям, возникла в 1960 году и не сходит с  тех пор со страниц популярных и научных изданий.

       КСЭС в совокупности с промежуточными атмосферными сооружениями сможет на только подавать электроэнергию земным потребителям, но и непосредственно освещать большие участки земной поверхности ночью и затенять их днем, регулировать климатические условия, уничтожать тайфуны и смерчи, снабжать энергией космические корабли, воздушные средства, наземный транспорт, удаленные от линий электропередачи промышленные предприятия и т.д.

       Целесообразность создания КСЭС  диктуется неисчерпаемостью солнечной  энергии, экологическими соображениями  и необходимостью сохранять ныне  широко применяемые природные  энергоносители (нефть, газ, уголь)  для нужд химической промышленности.

       КСЭС с периодически сменяемым персоналом могла бы стать на только прообразом сверхмощных станций будущего, но и одновременно выполнять огромное количество обычной “космической работы” (исследования, наблюдения, эксперименты) Потребность в такой опытной КСЭС имеется уже сейчас, причем не только потребность, но и возможность ее создания при условии международного сотрудничества.

       При этом следует учесть, что наша страна первой в мире освоила пилотируемые космические полеты с пребыванием людей на станции в течение одного года, у нас создан и опробован в космосе уникальный монтажный инструмент, а космонавтами получен уникальный опыт работы по развертыванию крупногабаритных космических сооружений, в том числе и дополнительных панелей солнечных батарей, освоены длительные рабочие выходы космонавтов в открытый космос, успешно проведены первые испытания новой универсальной ракеты-носителя “Энергия”, способной выводить на околоземную орбиту более 100 т полезного груза.

       Практическое использование солнечной  энергии в космонавтике началось  в 1958 году на первом ИСЗ США  и на третьем советском ИСЗ.  Эти спутники, как известно, имели  солнечные батареи.

       Первая публикация по проблеме  КСЭС с изложением технической  сущности принадлежит американскому  инженеру П. Гейзеру. В его  проекте масса КСЭС достигает  30 тыс.т, размер (“размах”) солнечных батарей 60 км, а электрическая мощность - примерно 8,5 ГВт. Таким образом, мощность спроектированной станции выше мощности эксплуатируемых ныне крупнейших электростанций мира: ГЭС “Гленд-Кули” (США) - 6,2 ГВт, Красноярской ГЭС - 6 ГВт, АЭС “Фукушима”- 4,7 ГВт, ТЭС “Кашима”- 4,4 ГВт (Япония).

       Целесообразность создания КСЭС  и КТЭС диктуется неисчерпаемостью  как солнечной энергии, так  и горючего для КТЭС- космического водорода, экологическими соображениями и необходимостью сохранить ныне широко применяемые природные химические энергоресурсы для нужд химической промышленности.

       Всвязи с печальным опытом аварии на Чернобыльской АЭС возникает вопрос, а не грозит ли создание КСЭС какими-либо новыми бедами людям, ведь передача энергии будет происходить через атмосферу, а следовательно, воздействовать на ее состав и динамику. Будет ли это воздействие положительным? Расчеты вселяют оптимизм, но окончательный ответ может дать только опытная эксплуатация электропередачи Космос-Земля.

     Наличие энергетических установок характерно для всех космических аппаратов. Характеристики космических солнечных  батарей (СБ), применяемых в настоящее время, весьма разнообразны. Удельная масса панельных СБ составляет 5-10 кг/м2, причем около 40 % массы приходится на полупроводниковые элементы, а остальное на конструкцию. Ожидается, что использование материалов на основе бора и углерода позволит уменьшить массу конструкций в 2 раза.

       Срок службы СБ пока подтвержден 5 годами, однако считается, что он может составить 30 лет, правда , с деградацией (уменьшением) КПД СБ к концу этого периода на 40 %.

       Достигнутое КПД для двухслойного  элемента, составленного из арсенида  галлия (GaAs) и кремния (Si), равно 28,5 % , что касается дальнейших перспектив, то они оцениваются довольно высокими значениями до 60 %.

       В космической энергетике большая  роль отводится аккумуляторам.  Самые лучшие из современных  маховиков способны накапливать  весьма значительную энергию  - до 1 МДж/кг, хотя существуют и такие экспериментальные устройства, которые способны накапливать энергию до 12 МДж/кг. Но для расчетов ограничиваются значением 0,07 МДж/кг.

       Вряд ли первая опытная КСЭС  установленной мощностью для  земных потребителей 5000 кВт способна  сколько-нибудь существенно помочь  энергетике нашей страны. Тем  не менее она, как и первая АЭС, необходима, причем главный смысл ее эксплуатации - натуральное изучение способов беспроводной передачи энергии на сверхдальние расстояния, изучение влияния этого процесса на окружающую среду, оптимизация параметров станции.

       Первые практические опыты в  нашей стране по передаче энергии  без проводов с помощью СВЧ-излучения были проведены под руководством профессора С.И. Тетельбаума в Киевском политехническом институте около 30 лет назад. две простейшие квадратные антенны со стороной квадрата 100 м при длине волны 1 см позволили передавать энергию на расстояние 50 км с КПД 40%, а на расстояние 5 км - с КПД 60%. Современное состояние техники позволяет существенно улучшить все показатели беспроводной линии передачи энергии с помощью СВЧ-излучения.