1. Солнечное излучение и его характеристики

Солнечная энергия излучается в пространство благодаря термоядерной реакции, которая протекает внутри звезды.

На землю падает поток энергии, равный 174·10¹⁵ Вт. Основной величиной, характеризующей этот вид энергии, является солнечная постоянная, т. е. плотность потока излучения, падающего на площадку, перпендикулярную этому излучению и расположенную над атмосферой. Ее численное значение составляет около 1353 Вт/м².

Проходя через атмосферу, солнечное излучение ослабляется, частично пронизывает атмосферу прямыми лучами и достигает земной поверхности в виде прямого и рассеянного излучения (рис. 1, 2). На уровне Земли солнечная постоянная не превышает 1000 Вт/м².

Рис. 1. Процессы, происходящие при прохождении солнечного излучения через атмосферу

Как видно из рис. 2 только примерно половина энергии (89 из 174 пента Вт) достигает поверхности земли. Остальная часть энергии, как уже упоминалось, отражается атмосферой, облаками, поверхностью земли. 17 пента Вт энергии адсорбируется атмосферой. Энергия также излучается в околоземное пространство атмосферой и поверхностью земли.

Рис. 2. Количественные характеристики солнечной энергии: (earth – земля; clouds – облака; latent heat – латентная (скрытая) теплота; PW – peta (penta) watt (10¹⁵ ватт); absorbed by land and oceans – абсорбировано землей и океанами)

Солнечное излучение, достигающее земной поверхности, неоднородно по своему составу и его можно разделить на три диапазона: ультрафиолетовый, видимое излучение и инфракрасный диапазон.

Каждый участок спектра вносит свою долю излучения: ультрафиолетовый – 7 %, видимый – 47 %, инфракрасный – 46 %.

Облученность рассматриваемой площадки зависит от географической широты, времени года, суток, наличия облаков и загрязнений в атмосфере, от угла наклона к горизонту.

Как уже упоминалось выше, солнечное излучение состоит из прямого и рассеянного (диффузного) излучения. Последнее возникает от солнечного света, который рассеивается через облака, за счет испарения и др. и попадает на поверхность земли по различным направлениям. Некоторые солнечные системы (гелиоустановки) используют прямое излучение (яркое солнце), в большинстве случаев можно использовать как прямое, так и диффузное излучение.

Солнце является основным поставщиком энергии на нашей планете. Его излучение превышает нынешнее мировое потребление энергии в 7 тыс. раз. Если бы солнечное излучение в Сахаре использовалось на 10 %, то на площадь приблизительно 700 км на 700 км можно было бы производить нынешнюю мировую потребность в энергии (рис. 3). Однако, при современном развитии техники и технологий невозможно экономически выгодно обеспечить передачу энергии потребителям, находящимся в различных местах земного шара.

На географической широте Республики Беларусь солнечное излучение намного меньше, чем в Сахаре: в республике в год излучается до 1200 кВт·ч/м². Это соответствует количеству энергии, содержащемуся в 60 литрах нефти. В целом ежегодное солнечное излучение на всей территории Беларуси составляет такое количество энергии, которое превышает в 20 раз потребность в газе для выработки энергии.

Рис. 3. Потенциальные возможности использования солнечной энергии в пустыне Сахара

Величина солнечной радиации, приходящейся на квадратный метр поверхности, зависит в значительной степени от угла падения и, соответственно, от времени года. Как видно из табл. 2, месячное излучение на территории г. Минска изменяется примерно от 12 кВт·ч/м² (декабрь) до 158 кВт·ч/м².

Таблица 2. Ежемесячное солнечное излучение на территории г. Минска и г. Василевичи (кВт ч/м²)

Местоположение	Минск	Василевичи
Январь	23,10	25,80
Февраль	35,27	38,88
Март	81,38	71,38
Апрель	90,27	83,05
Май	132,22	125,55
Июнь	147,50	138,67
Июль	141,38	128,33
Август	115,27	117,44
Сентябрь	85,27	91,61
Октябрь	44,44	49,72
Ноябрь	15,55	18,61
Декабрь	12,22	11,94

2. Общая характеристика технологий использования солнечного излучения. Пассивное использование солнечной энергии

Технологии использования солнечной энергии можно классифицировать следующим образом:

• пассивное использование солнечного излучения;
• водонагрев (солнечные тепловые коллекторы) (рис. 4, а);
• фотоэлектричество (фотоэлектрические модули) (рис. 4, б);
• использование концентрированного солнечного излучения (рис. 4, в);
• использование солнечного излучения для получения топлива (например, водорода).

Рис. 4. Варианты использования солнечной энергии

Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, т. е. в тепловую энергию. При пассивном использовании солнечного излучения нагрев объектов, например, внутренних помещений жилых зданий, осуществляется за счет прямого поглощения солнечного излучения, конструкциями, мебелью и другими предметами, находящихся внутри помещения (рис. 5). Результатом этого является повышение температуры и, соответственно, снижение тепловой энергии, требуемой для обогрева зданий за счет других источников (котельные, электрический обогрев и др.). Это направление в домостроении получило название «солнечная архитектура».

Важным с точки зрения пассивного использования солнечной энергии является учет следующих факторов (рис. 6):

• ориентация строения на юг;
• его максимальная теплоизоляция;
• распределение жилых помещений на солнечной стороне;
• минимизация внешних затеняющих элементов;
• отсутствие затенения зданий при квартальной застройке;
• использование внутри помещений элементов его отделки и материалов, максимально поглощающих солнечную энергию и имеющих повышенную теплоемкость (плитка темных оттенков, мраморные подоконники, отсутствие обоев и т. п.)

Рис. 5. Пассивное использование солнечной энергии в домостроении

а

б

Рис. 6. Размещение здания и особенности его конструкции в солнечной архитектуре

Как видно из рис. 5, 22 применение специальных выступающих элементов конструкции здания позволяет обеспечить проникновение солнечных лучей внутрь помещений в зимнее время, а в летнее горячее время ограничить нагрев за счет солнечной энергии. Можно также отметить, что зашторивание окон вместе с остеклением (рис. 7) обеспечивает проникновение в дом только 12,1 % тепловой и 8 % радиационной составляющей солнечной энергии.

Рис. 7. Влияние зашторивания и остекления на проникновение в дом солнечной энергии

Преимущества солнечной архитектуры:

• летом отсутствует перегрев, вызванный солнечным излучением, и поэтому уменьшается необходимость охлаждения;
• зимой солнечное излучение используется максимально, уменьшая необходимость отопления;
• при планировании домов используются только пассивные решения, такие как расположение и величина окон, расположение здания по отношению к сторонам света и т. д., поэтому не происходит дополнительного энергопотребления и загрязнения окружающей среды;
• является экономически целесообразным, так как пассивные, являющиеся частью здания компоненты служат столько же, сколько само здание;
• поскольку используются традиционные архитектурные элементы, это не влияет на внешний облик здания;
• уменьшает использование углеводородного топлива;
• препятствует дальнейшему развитию климатических изменений.

Недостатки солнечной архитектуры:

• архитектуру пассивной солнечной энергии следует учитывать при проектировании здания;
• здание может иметь невыгодное для максимального использования солнечного излучения местоположение;
• в случае зданий, находящихся под защитой (исторические), могут возникнуть препятствия при изменении их внешнего вида;

3. Преобразование солнечной энергии в тепловую. Тепловые коллекторы, конструкции, применение

Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения (рис. 8).

Рис. 8. Схема использования солнечных водонагревательных коллекторов

Солнечные водонагревательные коллекторы можно классифицировать по следующим характеристикам:

1. по конструкции систем циркуляции жидкости:

• а) открытые (рис. 9, а);
• б) закрытые (рис. 9, б).

а

б

Рис. 9. Открытая (использование одного теплоносителя) (а) и закрытая (б) солнечная водонагревательная система

2. по принципу циркуляции жидкости в системе:

• в) пассивные (с естественной циркуляцией жидкости) (рис. 10, а);
• г) активные (с принудительной циркуляцией жидкости) (рис. 10, б).

3. по конструкции водонагревательной системы:

• д) коллекторы на вакуумных трубках, (рис. 11);
• е) неостекленные плоские коллекторы, (рис. 12, а);
• ж) остекленные плоские коллекторы (рис. 12, б, в).

а                                                                                                           б

Рис. 10. Солнечная водонагревательная система: а – пассивная (естественная); б – активная (насосная)

а

б

Рис. 11. Схема (а) и общий (б) вид солнечного теплового коллектора на вакуумных трубках

а

Рис. 12. Общий вид и конструкция плоского неостекленного (а), остекленного (б) коллекторов

В настоящее время в мире получили большее распространение солнечные тепловые коллекторы на вакуумных трубках (68 % рынка), объем применения плоских остекленных коллекторов составляет (28 %) и неостекленных – 4 %.

Открытые системы получили большее распространение в странах с плюсовыми температурами окружающей среды, так как в таких коллекторах в качестве теплоносителя применяется вода. Как видно из рис. 9, б закрытая система содержит два контура. Во внешнем контуре в качестве теплоносителя используются антифризы, что позволяет применять системы в зимнее время (эффективность значительно ниже, чем в летнее время).

В активной системе (см. рис. 10, б) попадающее на коллектор солнечное излучение нагревает находящуюся в коллекторе жидкость (смесь из воды и антифриза). С помощью циркуляционного насоса подогретая жидкость поступает в теплообменник, находящийся в бакенакопителе, и нагревает находящуюся там воду. Охлажденная жидкость снова поступает в коллектор. Блок управления выравнивает температуру в коллекторе и накопителе и следит за тем, чтобы циркуляционный насос работал только в том случае, когда температура теплоносителя в коллекторе выше, чем в накопителе, обеспечивают возможность оперативного регулирования температуры во вторичном контуре за счет изменения скорости циркуляции жидкости.

Неостекленные коллекторы (см. рис. 12, а), хотя и имеют наиболее простую конструкцию, однако подвержены в большей степени атмосферным воздействиям, поэтому их применение постоянно снижается. Коллектор состоит из трубчатого поглотителя черного цвета. Поглотители такого вида используются преимущественно для подогрева воды в бассейнах в летний период, т. к. разница температур между абсорбером и внешней средой несущественна. Наиболее часто их изготавливают из синтетических материалов (полипропилен), что делает их производство более выгодным по сравнению с металлическими поглотителями. За счет их стойкости к такому химикату, как хлор, вода из бассейна может непосредственно использоваться в качестве теплоносителя. За исключением некоторых моделей пластмассовые поглотители существуют в виде трубчатого либо плоского абсорбера.

Плоский остекленный коллектор (см. рис. 12, в) состоит из трубок водяного коллектора (поглотителя), крышки в виде стеклянного покрытия, корпуса коллектора, в нижней части которого и на боковых стенках размещается теплоизоляционный слой. Поглотитель, расположенный внутри коллектора, адсорбирует солнечное излучение, нагревается и отдает тепло теплоносителю.

Корпус коллектора может быть изготовлен из пластмассы либо металла. Теплоизоляцию задней стенки коллектора должен обеспечивать термостойкий материал с высоким термическим сопротивлением (на основе стекловолокон). Так как температура в коллекторе может достичь 200 °С (если тепло временно не используется), все компоненты системы также должны быть термостойкими.

С одной стороны, стеклянное покрытие передней стенки коллектора должно как можно лучше пропускать солнечные лучи, с другой стороны, удерживать тепло поглотителя, как в парнике. Материал, из которого изготовлено покрытие коллектора, должен обладать следующими свойствами:

• высокая светопроницаемость на протяжении всей эксплуатации коллектора;
• низкая степень отражения солнечных лучей;
• защита от охлаждения ветром либо через конвекцию;
• защита от влажности;
• стабильность при механическом воздействии.

В качестве покрытия передней стенки коллектора в большинстве случаев используется термически обработанное стекло с низким содержанием железа.

Для изготовления поглотителя тепла используется преимущественно медь, сталь либо алюминий, причем существуют различные конструктивные модели этой детали коллектора. Основной акцент делается на том, чтобы поглотитель имел высокую способность поглощать свет и низкую способность излучать тепло в окружающую среду. Это достигается с помощью селективного покрытия, способствующего преобразованию коротковолнового солнечного излучения в тепло и снижающего длинноволновое излучение. Селективное покрытие изготавливается из черного хрома либо черного никеля.

Функционирование вакуумных коллекторов основывается на принципе минимизации тепловых потерь за счет создания вакуумного пространства между поглотителем и стеклянным покрытием (см. рис. 11). Используя также и селективное покрытие поглотителя, сокращающее потери теплового излучения.

Различают вакуумно-трубчатые и вакуумные плоские коллекторы. В вакуумно-трубчатых коллекторах поглотитель встроен в вакуумную стеклянную трубку. В коллекторном модуле друг около друга расположено от 6 до 30 вакуумных труб (диаметр 6,5–10 см). В изолированной коробке стеклянные трубки подключаются к тепловой системе.

За счет лучшей термоизоляции и более интенсивной теплопередачи, в частности, за счет использования тепловых труб, коллекторы на вакуумных трубках имеют наибольший КПД (70–80 %).

В Республике Беларусь солнечные водонагревательные коллекторы чаще всего применяются в бытовых целях для водоподогрева, а также интенсификации процессов сушки в сельскохозяйственном производстве. По состоянию на 2016 г. в стране работало более 300 солнечных водонагревателей с общей установленной мощностью 3,8 МВт. В мире суммарная тепловая мощность солнечных коллекторов на конец 2016 г. составила 456 ГВт.

4. Воздушные солнечные коллекторы

Использование воздуха в качестве теплоносителя в коллекторах (рис. 13) имеет свое преимущество: это позволяет напрямую сушить, например, сельскохозяйственные продукты или отапливать помещения. Кроме этого, при создании такой гелиоустановки возникает значительно меньше проблем, т. к. неполная герметичность не ставит под угрозу функционирование коллектора, а также не существует опасности замерзания жидкого теплоносителя.

Рис. 13. Конструкция солнечного воздушного коллектора 

Учитывая теплоемкость воздуха, которая в 3400 раз меньше теплоемкости воды, требуется относительно большой объем циркулирующего воздуха, соответственно большое поперечное сечение трубы и мощность привода вентиляторов.

Как видно из рис. 13 поступающий воздух из окружающей среды проходит через воздушные каналы коллектора и нагревается солнечными лучами через прозрачное покрытие, пропускающее тепловую часть спектра солнечного излучения. Для улучшения теплопередачи обратная сторона поглотителя может оснащаться ребристыми тепловыми дефлекторами.

5. Использование концентрированного солнечного излучения

Использование концентрированного солнечного излучения (Concentrating Solar Power) – перспективное направление в солнечной энергетике, которое в последние годы активно развивается в мире, в особенности в странах с горячим климатом. Сущность технологии состоит в концентрации солнечного излучения на объекте нагрева (чаще всего вода) с помощью специальных зеркал или системы отражателей (рис. 14). Производимый при этом пар может использоваться для целей нагрева или же для привода турбины электростанции.

Рис. 14. Технология использования концентрированного солнечного излучения

Существуют солнечные теплоэлектростанции трех типов:

• башенного типа с центральным приемником-парогенератором, на поверхности которого концентрируется солнечное излучение от плоских зеркал-гелиостатов (рис. 15, а);
• параболического (лоткового) типа, где в фокусе параболоцилиндрических концентраторов размещаются вакуумные приемникитрубы с теплоносителем (рис. 15, б);
• тарелочного типа, когда в фокусе параболического тарелочного зеркала размещается приемник солнечной энергии с рабочей жидкостью (рис. 15, в).

Рис. 15. Варианты использования концентрированного солнечного излучения

Станции башенного типа (см. рис. 17, а) состоят из пяти основных элементов:

1. оптической системы (гелиостаты);
2. автоматической системы управления зеркалами и станцией в целом;
3. парогенератора;
4. башни, которая удерживает гелиоприемник;
5. системы преобразования энергии, включающей теплообменники, аккумуляторы энергии и турбогенераторы.

Температура, которую можно получить на вершине башни с помощью зеркальных концентраторов, составляет 300–1500 °С. В одном модуле можно получить мощность, не превышающую 200 МВт, что связано со снижением эффективности переноса энергии от наиболее удаленных концентраторов на вершину башни.

Мировая практика эксплуатации станций башенного типа доказала их техническую осуществимость и работоспособность. Основными недостатками таких установок являются их высокая стоимость и значительная площадь, которую они занимают (рис. 16). Так для размещения башенной электростанции мощностью 100 МВт необходима площадь 200 га.

Рис. 16. Общий вид теплоэлектростанций башенного типа

В солнечных электростанциях параболического типа (см. рис. 15, б, рис. 17) используются параболические зеркала (лотки), концентрирующие солнечную энергию на приемных трубках, которые расположены в фокусе конструкции и содержат в себе жидкостный теплоноситель. Эта жидкость нагревается приблизительно до 400 °С и прокачивается через ряд теплообменников, при этом вырабатывается перегретый пар, который приводит в действие обычный турбогенератор для выработки электрической энергии.

Станции параболического типа применяются все шире, благодаря более простой системе слежения за Солнцем и меньшей материалоемкости. КПД может достигать 20 %, а мощность 100 МВт (в Калифорнии функционирует электростанция с общей мощностью 353 МВт).

В установках тарелочного типа (рис. 18) используются параболические тарелочные зеркала, которые фиксируют солнечную энергию на приемнике, расположенном в фокусе каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 °С и ее энергия используется для выработки электрической энергии. Установки имеют систему слежения за Солнцем. Ввиду эффекта аберрации в связи с отклонением от идеальной формы и других конструктивных факторов максимальный диаметр тарелок не превышает 20 м при средней мощности до 60–75 кВт.

Рис. 17. Общий вид электростанции с протяженными параболическими концентраторами

Удельная стоимость солнечной электростанции тарелочного типа может быть меньше, чем электростанций башенного и параболического типа, и близка к удельной стоимости АЭС.

Рис. 18. Общий вид электростанций с параболическими тарелочными зеркалами

Как видно из рис. 19 интенсивное использование концентрированного солнечного излучения началось во втором десятилетии текущего века. Установленная мощность электростанций этого типа в мире на конец 2016 г. составила 4,8 ГВт.

Рис. 19. Динамика использования концентрированного солнечного излучения в мире

Концентрированное солнечное излучение используется также в специальных солнечных печах для нагрева и плавки материалов. В этих устройствах энергия концентрируется в ограниченном пространстве и коэффициент концентрации энергии может достигать величин от 3000 до 20 000, а температура в рабочей зоне – 3000– 4000 °С. При этой температуре плавится любой материал.

Преимуществом нагрева с помощью солнечных лучей является высокая скорость процесса, которая превышает 1000 К/с. Расплавляемый материал не загрязняется посторонними включениями, так как узкий луч плавит его в форме из того же материала. В рабочей камере можно создавать окислительную или восстановительную атмосферу.

В мире построено несколько десятков солнечных печей. Они имеются в США, Франции, Японии, Алжире, Узбекистане, Армении и в других странах. Мощность установок колеблется в широких пределах от 5–10 кВт до 1000–5500 кВт. Самый большой солнечный концентратор в мире построен в Узбекистане недалеко от Ташкента (рис. 20). Площадь зеркал – 1840 м², (12 090 зеркал). Максимальная температура в рабочей зоне – 2000 °С.

Рис. 20. Общий вид самого большого солнечный концентратор в мире (Узбекистан)

Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200 °С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. Производство водорода составляет 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

6. Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую (фотоэлектрические преобразователи) возможно при использовании такого физического явления как фотоэффект. Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия, или внешний фотоэффект) (рис. 21, а); перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (вентильный фотоэффект) (рис. 21, б, в); изменение электрической проводимости п/п (фотопроводимость).

а                                                                                    б                                                                    в

Рис. 21. Варианты проявления фотоэффекта

При создании фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии (солнечных фотоэлементов и батарей) используется вентильный фотоэффект, который, как уже упоминалось, проявляется при освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р–п) (между ними устанавливается разность потенциалов (фото-ЭДС)) (рис. 22). Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний (поликристаллический, аморфный, пленочный). Более эффективными являются сложные полупроводники (фосфид индия, арсенид галлия и др.) Как видно из рис. 23, КПД фотоэлектрических преобразователей находится в пределах 12–24 % в зависимости от конструкции и применимых полупроводниковых материалов.

Рис. 22. Принцип работы фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии

Рис. 23. Материалы, применяемые для изготовления фотоэлектрических преобразователей

При полном солнечном излучении (примерно 1000 Вт/м²) на фотоэлектрическую ячейку размером 10×10 см приходится около 10 Вт энергии (рис. 24). В зависимости от качества изготовления ячейка может иметь мощность от 1 до 1,5 Вт, что соответствует КПД равному 10–15 %.

Рис. 24. Общий вид солнечных элементов

Максимальная эффективность использования солнечных батарей достигается при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность. Это практически может быть достигнуто использованием автоматических систем ориентации, которые называются трекерами (рис. 25). Их применение позволяет повысить эффективность в зимнее время – до 30 %. В летнее время – до 50 %.

Рис. 25. Общий вид солнечных батарей с системой автоматической ориентации

Конструктивно солнечные модули представляют собой плоские конструкции механически, электрически объединяющие между собой определенный набор фотоэлементов, которые для увеличения величины напряжения на выходе модуля соединяются между собой последовательно (рис. 26, 27). Мощность модулей обычно находится в пределах 150–250 Вт. Вырабатываемая мощность увеличивается при параллельном соединении модулей в батареи, таким образом создаются солнечные установки (электростанции). Обычно солнечные батареи размещаются на крышах домов или на открытой местности (рис. 28).

Рис. 26. Конструкция солнечного модуля

Рис. 27. Общий вид солнечных модулей

Рис. 28. Варианта монтажа солнечных батарей

К концу 2016 года суммарная мощность фотогальванических установок в мире достигла отметки в 303 ГВт, что является достаточным для обеспечения 1 % всей мировой потребности в электричестве (рис. 29). На мировой арене в увеличении производства солнечной энергии ведущие позиции заняли Китай, Германия и Япония.

Рис. 29. Установленная мощность солнечных фотоэлектрических электростанций в мире

Самая крупная солнечная электростанция находится в Марокко (пустыня Сахара) (рис. 30). Ее мощность составляет 500 МВт.

Рис. 30. Общий вид самой крупной солнечной электростанции (Марокко)

В Республике Беларусь на 08.17 г. работало 45 фотоэлектрических станций с общей установленной мощностью 137,0 МВт. Наиболее крупные солнечные фотоэлектростанции: недалеко от озера Нарочь в Мядельском р-не (5,7 МВт) и в Брагинском районе Гомельской обл. (18,5 МВт). В 2017 г. введена в эксплуатацию ФЭС мощностью 55, 0 МВт недалеко от г. Речицы (ГПО «Беларусьнефть») (рис. 31).

а                                                                                             б

Рис. 31. Общий вид крупнейших солнечных электростанций: а – Брагинский р-н; б – г. Речица

Следует отметить, что с совершенствованием и отработкой технологий стоимость солнечного электричества постоянно снижается (рис. 32). При сохранении тенденций на рынке фотоэлектрических преобразователей, уже в ближайшие годы солнечная энергетика станет конкурентоспособной относительно других видов.

Рис. 32. Изменение стоимости фотоэлектрических преобразователей (модулей) (USD/Вт)

Наряду с промышленным производством электрической энергии, солнечные модули в последние годы используются при создании новых экологически чистых транспортных средств (гибридных автомобилей, самолетов, дирижаблей и т. п. (рис. 33).

Рис. 33. Использование солнечных преобразователей для энергообеспечения транспортных средств

7. Космические солнечные электростанции

На сегодняшний день солнечные батареи считаются одним из самых надежных и достаточно хорошо отработанных вариантов обеспечения космического аппарата энергией (рис. 34). Для обеспечения максимума отдаваемой батареями энергии перпендикуляр к их поверхности должен быть направлен на Солнце с точностью 10–15 °С. В случае жестких панелей это достигается или ориентацией самого космического аппарата или специализированной автономной электромеханической системой ориентации солнечных батарей, при этом панели подвижны относительно корпуса аппарата.

При затенении батарей в результате маневров или входа в тень планеты выработка энергии фотоэлектрическими преобразователям прекращается, поэтому систему энергопитания дополняют химическими аккумуляторами или топливными ячейками.

Рис. 34. Использования солнечных батарей для энергообеспечения солнечных аппаратов

Основной принцип идеи солнечных космических электростанций заключается в том, что установки, расположенные на поверхности Луны, или в космосе концентрируют солнечное излучение (зеркала-концентраторы) и передают его в виде микроволнового пучка частотой 2,5–6 ГГц на приемник, расположенный на поверхности Земли.

Такая система позволяет концентрировать зеркалами на 35 % больше излучения, которое рассеивается при попадании в атмосферу Земли. Кроме того, геостационарные спутники позволяют поставлять энергию стабильно и непрерывно, что тоже немаловажно, ввиду отсутствия на сегодняшний день выгодных устройств для аккумулирования больших объемов энергии (рис. 35).

Рис. 35. Проекты солнечных электростанций

Использование микроволнового излучения накладывает ряд ограничений. Во-первых, размер передатчика даже при низшей границе частоты передачи в 2,5 ГГц составит около километра. Приемник же придется делать и того больше – около 10 километров. Во-вторых, электронные компоненты, позволяющие преобразовывать свет в микроволновое излучение и работать при огромных температурах, пока существуют лишь в виде малопригодных к промышленному использованию лабораторных прототипов. И, наконец, размеры зеркал и солнечных батарей оказываются в разы больше передатчика, а это километры материалов, которые нужно не только поднять на орбиту, но и собрать и настроить.

Однако эта область вызывает живой интерес в научном и техническом сообществе. Среди самых амбициозных проектов – запуск космической солнечной электростанции, представленный американской компанией Solaren.

Планируется вывести на геостационарную орбиту 5 спутников, со специальными зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на солнечных модулях. Все 5 спутников будут собой представлять одну космическую солнечную электростанцию. Энергия будет передаваться на Землю с помощью микроволн и преобразовываться на приемной станции в электроэнергию. К реализации проекта планируется подключить такие промышленные гиганты как Boeing, Lockheed Martin, Pacific Gas & Electric. Планируемая мощность этой космической солнечной электростанции 200 МВт.