Архив номеров НиТ

Ответить на комментарий

Проблемы энергетики, экологии и будущее человечества. Часть 2

Рубрика журнала:

Номер журнала НиТ: 

Схема работы солнечной электростанции (СЭС)



Трудно что-либо предвидеть, а уж особенно — будущее.
Н. Бор

7. Возобновляемые энергоресурсы

Перечень экологически чистых источников энергии приведен в табл. 7. Рассмотрим их подробнее.

Солнечное излучение. Солнце — основной источник энергии на планете. В полдень на низких широтах плотность потока энергии солнечного излучения близка к 1 кВт/м²,, в среднем по освещенной части земного шара — 350 Вт/м². Потенциальный ресурс энергии огромен. Ей соответствует мощность 6,7∙1016 Вт. Теоретически КПД преобразования энергии может достигать 93%. Сейчас он составляет 10…30%. КПД определяет технический ресурс, равный произведению КПД на потенциальный ресурс.

В настоящее время энергия солнечного излучения используется мало из-за относительно низких значений плотности потока энергии (100 — 1000 Вт/м²).
Разрабатываются проекты создания солнечных энергосистем на геостационарной орбите с мощностью 1…10 ГВт. Передачу энергии на Землю планируется осуществлять при помощи мощных электромагнитных пучков на длине волны около 5…10 см.

Типичная солнечная электростанция (СЭС) по расчетам автора может представлять собой следующее сложное инженерное сооружение. На геостационарной орбите (высота около 36 тыс. км) строится солнечная батарея, преобразующая энергию солнечного излучения в постоянный электрический ток, общей площадью 50 кв. км. Эта батарея способна производить мощность около 10 ГВт (а в перспективе при повышении ее КПД до 80% — 40 ГВт). Далее выработанную электроэнергию необходимо преобразовать в энергию сверхвысокочастотного излучения на длине волны, например, 5 см и передать на Землю в виде хорошо сфокусированного мощного электромагнитного пучка. Для этой цели необходимо соорудить преобразователь энергии, генератор электромагнитных колебаний, а также передающую антенну площадью около 0,2 кв. км (диаметром 0,5 км). Ширина пучка при этом составляет около 0,006°. Размер пучка на Земле примерно равняется 3,6 км.

Площадь приемной антенны (ректенны) должна быть около 10 кв. км. Далее принятую электромагнитную энергию необходимо преобразовать в привычную энергию электрического тока и передать ее к потребителю. Суммарный КПД при современной технологии невысок (порядка 10%), но теоретически может быть доведен до 50%.
На пути транспортировки энергии с орбиты на Землю ожидаются серьезные трудности. Одна из них связана с разрушением пучка электромагнитных волн в геокосмической плазме и атмосфере, в частности, за счет эффекта самовоздействия волн в плазме. Это налагает ограничение на максимальный поток энергии. По нашим оценкам, он не должен превышать 300 Вт/м², а мощность СЭС — 10 ГВт.

При создании и последующей эксплуатации СЭС, к сожалению, появятся свои экологические проблемы. Они заключаются в следующем.
Во-первых, для реализации проекта необходима индустриализация космоса. По расчетам автора, масса одной СЭС составит около 100 тыс. тонн. Одна мощнейшая ракета (типа ракеты «Протон») способна вывести на геостационарную орбиту груз массой около 10 тонн. Потребуется 10 тыс. рейсов. Одна такая ракета выбрасывает около 600 тонн продуктов сгорания (500 тонн в атмосферу и 100 тонн в геокосмос). Всего будет выброшено 6 млн тонн продуктов сгорания. Для сравнения укажем, что грузопоток самого крупного космодрома — Байконура — составляет около 3 тыс. тонн в год. Вот такие масштабы при создании только одной СЭС. Для обеспечения потребляемой сегодня мощности необходимо строительство нескольких тысяч таких станций.

Таким образом, индустриализация космоса приведет к серьезным необратимым и крайне нежелательным экологическим последствиям.
Во-вторых, вокруг ректенны, а также в атмосфере и геокосмосе необходимо создать своеобразную зону отчуждения. Площадь этой зоны на поверхности Земли может достигать 1000 кв. км, для всех СЭС — несколько миллионов квадратных километров (около 0,5% от площади Земного шара или 1,5% от всей суши).
По оценкам, цена 1 кВт•ч энергии в тысячи раз будет превышать нынешнюю цену.

Ионосферный МГД-генератор. Ионосферный магнитогидродинамический (МГД) генератор представляет собой природную электрическую машину постоянного электрического тока с напряжением около 105 В. МГД-эффект возникает за счет движения ионосферной плазмы (под действием ветра и электрического поля) в магнитном поле Земли.
Величина тока, текущего вокруг Земли на высотах 100…150 км, составляет примерно 2∙106 А. При этом мощность природной машины примерно равна 200 ГВт.
Без серьезных экологических последствий, по-видимому, можно использовать до 10% этой мощности. Главный недостаток данного источника энергии заключается в трудности технической реализации отбора энергии, в очень низких значениях плотности потока энергии и в неизученных возможных экологических последствиях.

Перейти к полному тексту статьи

Литература
1. Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. — М.: Наука, 1989. — 263 с.
2. Будыко М. И. Эволюция биосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
3. Тейяр де Шарден П. Феномен человека. — М.: Наука, 1987. — 240 с.
4. Моисеев Н. Н. Экология человечества глазами математика. — М.: Молодая гвардия, 1988. — 254 с.
6. Фокс Р. Энергия и эволюция жизни на Земле / Пер. с англ. — М.: Мир, 1992. — 216 с.
7. Капица С. П. Феноменологическая теория роста населения Земли // Успехи физических наук. — 1996. — Т. 166, № 1. — С. 63 — 79.
8. Куклев В. И. Физическая экология. — М.: Высшая школа, 2001. — 357 с.
9. Черногор Л. Ф. Естествознание. Интегрирующий курс. — Второе издание. — Х.: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2007. — 536 с.
10. Легасов В. А., Кузьмин И. И. Проблемы энергетики // Природа. — 1981. — № 2. — С. 8 — 23.
11. Бондарев Л. Г. Техногенез — новый фактор в развитии Земли // Земля и Вселенная. — 1996. — № 1. — С. 30 — 37.
12. Урсул А. Д., Урсул Т. А. На пути к «устойчивому» освоению Вселенной // Земля и Вселенная. — 1996. — № 1. — С. 39 — 46.
13. Поляк Б. Г., Кононов В. И., Хуторской М. Г. Глубинное тепло Земли // Земля и Вселенная. — 2005. — № 5. — С. 15 — 23.
14. Шевченко В. В. XXI век: проблема внеземных природных ресурсов // Земля и Вселенная. — 2005. — № 2. — С. 92 — 100.
15. Солоницын А. Второе пришествие ветроэнергетики // Наука и жизнь. — 2004. — № 3. — С. 6 — 13.
16. Барьяхтар В. Г. XXI век: производство энергии, уровень жизни, экология, проблемы // Геофиз. журн. — 2006. — Т. 28, N 3. — С. 7 — 18.
17. Семиноженко В. П., Канило П. М., Остапчук В. Н., Ровенский А. И. Энергия. Экология. Будущее — Х.: Прапор, 2003. — 464 с.
18. Черногор Л. Ф. Космос, Земля, человек: актуальные проблемы. — Х.: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2010. — 192 с.
19. Черногор Л. Ф. Каналы воздействия вариаций космических и атмосферных факторов на биосферу и человека // Фізіологічний журнал. — 2010. — Т. 56, № 3. — С. 25 — 40.
20. Черногор Л. Ф. Физика и экология катастроф. Монография– Х.: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2012. — 556 с.

Ответить

7 + 9 =
Solve this simple math problem and enter the result. E.g. for 1+3, enter 4.