Солнечная энергетика -- правильная реализация
Ниже приведена попытка рамочного анализа экономики солнечной энергетики масштаба государства, если бы эта энергетика строилась на правильных фундаментальных принципах.
По данным за 2011, в штатах было произведено 4100656 ГВт-ч электроэнергии. Практически вся эта энергия генерируется в тепловом цикле. Чтобы дерзко заменить всю эту генерацию солнечной, заменив всевозможные нагреватели солнечным светом, требуется зеркало на геостационарной орбите, концентрирующее непрерывный поток света на нескольких коллекторах на планете. Солнечный спектр позволяет достичь температуры до ~6000°С, что превосходит возможности всех существующих нагревателей. Таким образом, земная энергетика может быть подключена к уже действующему термоядерному реактору, лучше которого никогда ничего не будет. Но как?
Первой фазой является приём потока солнечного света орбитальным отражателем. При этом неизбежны потери, отражатель постепенно будет терять эффективную поверхность из-за повреждений, поэтому каждой из этих потерь назначается консервативный коэффициент 0.9. Инсоляция на орбите Земли составляет 1366 Вт/м², от чего после прохода атмосферы остаётся ~1000Вт/м² без учёта облачности. При потоке энергии, измеряемом в тысячах ГВт и потерях в атмосфере ~0.25, луч наверно не даст облачности образоваться на своём пути, поддерживая за счёт рассеяния энергии прозрачность канала на уровне "чистого неба".
Созданный зеркалом луч солнечного света фокусируется и удерживается на нескольких коллекторах на поверхности планеты. Сегодня такое количество энергии при такой мощности может быть преобразовано только тепловым циклом, как на обычной электростанции. Высокая температура коллектора, достижимая при солнечном нагреве, позволяет повысить КПД преобразования, но для консервативного расчёта принимается на уровне 0.3.
В результате всех потерь, коэффициент преобразования энергии солнечного света на орбите в электроэнергию на поверхности планеты составляет 0.9×0.9×0.75×0.3 = 0.18. В качестве сравнения можно привести эмиратский проект солнечной электростанции общей мощностью 1ГВт и площадью 48км², что даёт коэффициент использования поверхностной инсоляции ~0.02. Но плотность мощности врядли была параметром спецификации этого проекта.
В 2011 штаты произвели 4100656 ГВт-ч электроэнергии, или в физических единицах 1.476e19 Дж при среднегодовой мощности генерации 468 ГВт. С найденным коэффициентом преобразования 0.18, эта мощность световому потоку на орбите 2600 ГВт, для чего нужно зеркало площадью 1904 км². Для резервирования и обеспечения непрерывности потока, а также некоторого запаса на рост потребления без учёта увеличения КПД преобразования с консервативного до реального, пусть будут две станции с зеркалами по 1000км² в двух разных точках геостационарной орбиты над территорией страны. Зеркало площадью 1000км² -- это круг диаметром 36км, состоящий из модулей с независимых наведением на коллектор. Это позволяет делать зеркало любой формы, заменять или ремонтировать дефектные элементы, и иногда использовать конструкцию в качестве звезды смерти ценой лишения собственной страны электроэнергии. Этот последний тезис достаточен для частичной нейтрализации истерик о военном назначении такой орбитальной энергетической станции.
Вопрос о стоимости такой системы рационально рассматривать в контексте эквивалентной по функции (и частично технологиям преобразования) ядерной генерации. Стоимость современной (Тяньваньской) АЭС с двумя ВВЭР-1000 составляет $3е9 (2006). Для электроэнергетики Китая, примерно соответсвующей по мощности штатам (2010), суммарные затраты на достижение мощности 468 ГВт на АЭС составили бы $7е11 в докризисных (2006) деньгах. Эта сумма является пороговым уровнем стоимости космической солнечной генерации национального масштаба, ниже которого она даёт безусловные экономические преимущества перед всеми другими видами генерации: не требует топлива, не требует отвода земель, позволяет ставить коллекторы в любом месте, в том числе в море, переключать поток между коллекторами оптически без потерь в линиях передач, динамически концентрировать мощность генерации в разных районах страны и заграницей, и обеспечить дополнительную возможность защиты границ государства на случай конфронтации.
Прототипом орбитального зеркала, летавшим ещё 20 лет назад в СССР, был эксперимент «Знамя-2», выведенного одним кораблём «Прогресс М-15» в качестве попутной нагрузки. Существовали планы развития этого направления: «Знамя-3» -- зеркало 70м, «Солнечный парусный корабль» -- зеркало 200м при массе до 500кг, и кластер из 12 зеркал. Приняв эти параметры за основу, масса зеркала площадью 1км² составит 16т, что соответстует 78% грузоподъёмности «Протона» на низкую орбиту с потребностью в выводе на геостационарную орбиту на малой тяге, на что спишем остальные 6т полезной нагрузки. Стоимость запуска «Протона» на сегодня составляет $93e6 (2010). Запуск 2000 таких модулей обошёлся бы в 186 миллиардов долларов, или 26.6% от порогового уровня стоимости космической солнечной генерации национального масштаба. Стоимость создания наземного генерирующего сегмента можно оценить по стоимости создания современных угольных электростанций. Проект, выполненный китайскими компаниями в Индии, обошёлся в $2.4е9 (2011) при мощности генерации 2.64 ГВт, что позволяет консервативно оценить стоимость наземного сегмента на уровне $1е9 за ГВт установленной мощности. Суммарные затраты на создание 468ГВт установленной мощности коллектора и стоимость вывода в космос требуемой для них орбитальной станции составляют 468+186 = 654 миллиарда долларов, что оставляет 46 миллиардов на создание самих 2000 отражательных модулей, или $23 миллиона за каждый при серийном производстве. Поскольку отражательная поверхность модуля представляет собой тонкую плёнку, основные расходы потребуются для механизмов наведения. В качестве прототипа космической техники серийного производства можно привести серию спутников "Иридиум", для которой стоимость спутника составила $5 миллионов ($7 в долларах 2013), а длительность изготовления одного спутника составила 21 день, с темпом производства 1 спутник каждые 4.3 дня. Очевидно, что задача серийного производства простого управляемого плоского плёночного отражателя с бюджетом $23 миллиона каждый, и серией 2000 штук, была бы проще, чем производство 72 сложных коммуникационных спутников стоимостью $7 миллионов каждый 15 лет назад, до появления автоматических заводов.
Выводы. Все необходимые базовые технологии для построения национальной солнечной энергетики с космическими концентраторами уже существуют и проверены, их масштабирование до требуемого уровня не представляет принципиальных трудностей. Затраты на построение такой системы составляют 20% от валютных резвов Китая. Стоимость построения всей системы относительно эффективной промышленностью (Китай, РФ) позволяет достичь уровня затрат, при котором ядерная генерация гарантированно дороже, что гарантирует экономическую целесообразность на длительный период эксплуатации. Модульность системы позволяет постепенно наращивать установленную мощность и заменять потерянные модули. Целый ряд экономических выгод, открываемых оптической передачей и коммутацией энергии, не учтён в базовом уровне затрат, но одни лишь потери при передаче электроэнергии и отсутствие потребнения топлива могут необратимо увеличить разрыв с ядерной генерацией. Орбитальный сегмент системы на геостационарной орбите неуязвим для любых физических атак, в первую очередь лазерных, и способен усилить оборонный потенциал страны в случае конфронтации без участия наземного сегмента системы.
Я знаю, что этого не будет -- тем хуже для всех, потому что этот вариант термоядерной энергетики можно создать уже сейчас, а не ждать ИТЭРа к 2040, 2050 или никогда.
По данным за 2011, в штатах было произведено 4100656 ГВт-ч электроэнергии. Практически вся эта энергия генерируется в тепловом цикле. Чтобы дерзко заменить всю эту генерацию солнечной, заменив всевозможные нагреватели солнечным светом, требуется зеркало на геостационарной орбите, концентрирующее непрерывный поток света на нескольких коллекторах на планете. Солнечный спектр позволяет достичь температуры до ~6000°С, что превосходит возможности всех существующих нагревателей. Таким образом, земная энергетика может быть подключена к уже действующему термоядерному реактору, лучше которого никогда ничего не будет. Но как?
Первой фазой является приём потока солнечного света орбитальным отражателем. При этом неизбежны потери, отражатель постепенно будет терять эффективную поверхность из-за повреждений, поэтому каждой из этих потерь назначается консервативный коэффициент 0.9. Инсоляция на орбите Земли составляет 1366 Вт/м², от чего после прохода атмосферы остаётся ~1000Вт/м² без учёта облачности. При потоке энергии, измеряемом в тысячах ГВт и потерях в атмосфере ~0.25, луч наверно не даст облачности образоваться на своём пути, поддерживая за счёт рассеяния энергии прозрачность канала на уровне "чистого неба".
Созданный зеркалом луч солнечного света фокусируется и удерживается на нескольких коллекторах на поверхности планеты. Сегодня такое количество энергии при такой мощности может быть преобразовано только тепловым циклом, как на обычной электростанции. Высокая температура коллектора, достижимая при солнечном нагреве, позволяет повысить КПД преобразования, но для консервативного расчёта принимается на уровне 0.3.
В результате всех потерь, коэффициент преобразования энергии солнечного света на орбите в электроэнергию на поверхности планеты составляет 0.9×0.9×0.75×0.3 = 0.18. В качестве сравнения можно привести эмиратский проект солнечной электростанции общей мощностью 1ГВт и площадью 48км², что даёт коэффициент использования поверхностной инсоляции ~0.02. Но плотность мощности врядли была параметром спецификации этого проекта.
В 2011 штаты произвели 4100656 ГВт-ч электроэнергии, или в физических единицах 1.476e19 Дж при среднегодовой мощности генерации 468 ГВт. С найденным коэффициентом преобразования 0.18, эта мощность световому потоку на орбите 2600 ГВт, для чего нужно зеркало площадью 1904 км². Для резервирования и обеспечения непрерывности потока, а также некоторого запаса на рост потребления без учёта увеличения КПД преобразования с консервативного до реального, пусть будут две станции с зеркалами по 1000км² в двух разных точках геостационарной орбиты над территорией страны. Зеркало площадью 1000км² -- это круг диаметром 36км, состоящий из модулей с независимых наведением на коллектор. Это позволяет делать зеркало любой формы, заменять или ремонтировать дефектные элементы, и иногда использовать конструкцию в качестве звезды смерти ценой лишения собственной страны электроэнергии. Этот последний тезис достаточен для частичной нейтрализации истерик о военном назначении такой орбитальной энергетической станции.
Вопрос о стоимости такой системы рационально рассматривать в контексте эквивалентной по функции (и частично технологиям преобразования) ядерной генерации. Стоимость современной (Тяньваньской) АЭС с двумя ВВЭР-1000 составляет $3е9 (2006). Для электроэнергетики Китая, примерно соответсвующей по мощности штатам (2010), суммарные затраты на достижение мощности 468 ГВт на АЭС составили бы $7е11 в докризисных (2006) деньгах. Эта сумма является пороговым уровнем стоимости космической солнечной генерации национального масштаба, ниже которого она даёт безусловные экономические преимущества перед всеми другими видами генерации: не требует топлива, не требует отвода земель, позволяет ставить коллекторы в любом месте, в том числе в море, переключать поток между коллекторами оптически без потерь в линиях передач, динамически концентрировать мощность генерации в разных районах страны и заграницей, и обеспечить дополнительную возможность защиты границ государства на случай конфронтации.
Прототипом орбитального зеркала, летавшим ещё 20 лет назад в СССР, был эксперимент «Знамя-2», выведенного одним кораблём «Прогресс М-15» в качестве попутной нагрузки. Существовали планы развития этого направления: «Знамя-3» -- зеркало 70м, «Солнечный парусный корабль» -- зеркало 200м при массе до 500кг, и кластер из 12 зеркал. Приняв эти параметры за основу, масса зеркала площадью 1км² составит 16т, что соответстует 78% грузоподъёмности «Протона» на низкую орбиту с потребностью в выводе на геостационарную орбиту на малой тяге, на что спишем остальные 6т полезной нагрузки. Стоимость запуска «Протона» на сегодня составляет $93e6 (2010). Запуск 2000 таких модулей обошёлся бы в 186 миллиардов долларов, или 26.6% от порогового уровня стоимости космической солнечной генерации национального масштаба. Стоимость создания наземного генерирующего сегмента можно оценить по стоимости создания современных угольных электростанций. Проект, выполненный китайскими компаниями в Индии, обошёлся в $2.4е9 (2011) при мощности генерации 2.64 ГВт, что позволяет консервативно оценить стоимость наземного сегмента на уровне $1е9 за ГВт установленной мощности. Суммарные затраты на создание 468ГВт установленной мощности коллектора и стоимость вывода в космос требуемой для них орбитальной станции составляют 468+186 = 654 миллиарда долларов, что оставляет 46 миллиардов на создание самих 2000 отражательных модулей, или $23 миллиона за каждый при серийном производстве. Поскольку отражательная поверхность модуля представляет собой тонкую плёнку, основные расходы потребуются для механизмов наведения. В качестве прототипа космической техники серийного производства можно привести серию спутников "Иридиум", для которой стоимость спутника составила $5 миллионов ($7 в долларах 2013), а длительность изготовления одного спутника составила 21 день, с темпом производства 1 спутник каждые 4.3 дня. Очевидно, что задача серийного производства простого управляемого плоского плёночного отражателя с бюджетом $23 миллиона каждый, и серией 2000 штук, была бы проще, чем производство 72 сложных коммуникационных спутников стоимостью $7 миллионов каждый 15 лет назад, до появления автоматических заводов.
Выводы. Все необходимые базовые технологии для построения национальной солнечной энергетики с космическими концентраторами уже существуют и проверены, их масштабирование до требуемого уровня не представляет принципиальных трудностей. Затраты на построение такой системы составляют 20% от валютных резвов Китая. Стоимость построения всей системы относительно эффективной промышленностью (Китай, РФ) позволяет достичь уровня затрат, при котором ядерная генерация гарантированно дороже, что гарантирует экономическую целесообразность на длительный период эксплуатации. Модульность системы позволяет постепенно наращивать установленную мощность и заменять потерянные модули. Целый ряд экономических выгод, открываемых оптической передачей и коммутацией энергии, не учтён в базовом уровне затрат, но одни лишь потери при передаче электроэнергии и отсутствие потребнения топлива могут необратимо увеличить разрыв с ядерной генерацией. Орбитальный сегмент системы на геостационарной орбите неуязвим для любых физических атак, в первую очередь лазерных, и способен усилить оборонный потенциал страны в случае конфронтации без участия наземного сегмента системы.
Я знаю, что этого не будет -- тем хуже для всех, потому что этот вариант термоядерной энергетики можно создать уже сейчас, а не ждать ИТЭРа к 2040, 2050 или никогда.