Космическая солнечная энергия, концепция спутника солнечной энергии (SPS)

Одним из основных препятствий, удерживающих солнечную энергию, является неотъемлемая проблема ситуации, которая возникает с атмосферой над головой.



Солнечные элементы на поверхности Земли могут генерировать электричество только тогда, когда солнце находится в небе, и для многих стран, особенно в северном полушарии, постоянное облачное покровы могут стать причиной демпфера солнечной экономики. Но что, если бы вы могли обойти атмосферу вообще, что, если бы вы могли использовать солнечную энергию непосредственно от солнца, в космосе. В 1941 году писатель-фантаст Айзек Азимов рассказал о космических станциях, которые могли передавать энергию, собранную с Солнца, на различные планеты с микроволновыми лучами в его рассказе «Разум». Сегодня научная фантастика может стать научным фактом в течение ближайшей четверти века, по крайней мере, по словам доктора Сусуму Сасаки из Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA). В апреле 2014 года JAXA опубликовала предложение о серии наземных и орбитальных экспериментов, которые могут привести к созданию функционирующей космической солнечной энергетической системы к 2030-м годам.

История космической солнечной энергии

Идея сбора солнечной энергии в космосе не является чем-то новым. Это не заняло много времени после изобретения первых солнечных элементов на основе кремния и появления космических исследований для того, чтобы кто-то понял, что эти две технологии сделают счастливый брак. Американский аэрокосмический инженер Питер Глейзер написал первое официальное предложение о космической солнечной энергетической системе в 1968 году, всего лишь год, когда он прогуливался по Луне Нила Армстронга. В 1973 году ему был предоставлен патент № 3 781 647 для спутниковой солнечно-энергетической системы (SSPS) на предмет способа транспортировки солнечной энергии на большие расстояния путем пропускания микроволн с антенны в пространстве на гораздо более крупную на земле. Полупроводниковый приемник позже будет называться rectenna. Глейзер, который был вице-президентом Arthur D. Little, Inc., заключил контракт с NASA, чтобы провести более всестороннее исследование в 1974 году. Первоначального отчета было достаточно, чтобы сделать исследования и разработки фонда NASA в рамках проекта в 70-х и 80-х годах. Изменение в администрациях в конечном итоге приведет к перерыву в дальнейшем развитии идеи. Управление по оценке технологий пришло к выводу, что слишком много неизвестных относительно технических и экономических аспектов космической солнечной энергетической системы.

NASA не будет серьезно относиться к космической солнечной энергии до 1999 года с помощью программы исследований космической солнечной энергии и исследований (SERT). Они заложили основу концепции солнечной энергии (SPS), используя геосинхронную орбиту, и установили общие технико-экономические требования и требования к проектированию. Их концепция SPS повлекла за собой систему гигаватт-пространства с надувной фотогальванической структурой, которая использует солнечные тепловые двигатели для выработки электроэнергии. Ключевой урок, который вышел из этого исследования, заключался в том, что затраты на запуск на низкой околоземной орбите должны были бы упасть до 100-200 долларов за килограмм, чтобы построить СПС, чтобы стать возможным. Быстрая перемотка вперед до мая 2014 года и JAXA собираются там, где они остановились. Давайте подробнее рассмотрим последнюю дорожную карту для солнечной энергии, основанной на космосе.

Цель

Каждая дорожная карта нуждается в пункте назначения, а для космической солнечной энергии JAXA предложила коммерчески жизнеспособную систему солнечной энергии на 1 гигаватт.

Система будет состоять из геосинхронного орбитального спутника, оснащенного современными кремниевыми солнечными батареями. Орбитальные зеркала гарантируют, что солнечный свет всегда концентрируется на солнечных батареях спутника, поскольку он вращается с вращением Земли, даже когда он находится на стороне Земли, противоположной солнцу. На поверхности 3-километрового искусственного острова, оснащенного 5 миллиардами миниатюрных выпрямляющих антенн, получают микроволны, спущенные с спутника на 36 000 километров выше, превращая их обратно в постоянный ток. Подстанция на острове направляет электричество через подводный кабель непосредственно в оживленную электрическую сеть Токио. Амбициозный проект, д-р Сасаки выделяет шесть областей развития: беспроводная передача энергии, космические перевозки, космическое строительство, спутниковый контроль, производство электроэнергии и управление питанием.

Беспроводная передача энергии

В конце XIX века Никола Тесла начал строительство своей знаменитой 57-метровой башни в Варденклиффе на Северном берегу Лонг-Айленда в Нью-Йорке. Его намерение состояло в том, чтобы построить прототип трансляционной башни для беспроводной связи, но сокращение бюджета в 1904 году и сборщики долгов в конечном итоге помешали ему реализовать свою мечту.

Переходите к настоящему, и сегодня мы знаем, что беспроводная передача на большие расстояния может быть реализована одним из двух способов: лазерами и микроволнами. Во-первых, лазеры не подходят для космической передачи энергии по той же причине, что мы хотели бы разместить солнечные коллекторы над атмосферой в первую очередь; облака поглощают или рассеивают лазерный луч. Если космическая солнечная система будет работать, она должна быть через микроволны.

Как передать энергию с помощью микроволн

Основной технологией, которая может сделать космическую солнечную энергию реальностью, является способность превращать солнечный DC-ток в микроволны на борту спутника, передавать их на землю и преобразовывать их обратно в постоянный ток на земле. Начнем с создания микроволн на спутнике.

Микроволновые генераторы

Для генерации микроволн постоянный ток, подаваемый из фотогальванической ячейки, может быть направлен на магнетроны, клистроны или другие вакуумные трубки для преобразования электричества в микроволновую печь. Вакуумные трубки используют баллистическое движение электронов под действием осциллирующих магнитных полей для генерации микроволн. Существует компромисс между использованием низкочастотных микроволн для более легкого проникновения в атмосферу и высокочастотных микроволн для уменьшения размеров антенн. Таким образом, кандидаты на частоту передачи составляют 2,45 и 5,8 ГГц. В 1 ГВт на солнечной энергетической системе JAXA планируется построить не менее 100 миллионов 10-ваттных полупроводниковых усилителей.

Микроволновый приемник

На поверхности требуется выпрямительная антенна или прямоугольник для получения микроволн из пространства и преобразования их обратно в постоянный ток. В своей простейшей итерации rectenna состоит из дипольной антенны, снабженной радиочастотным диодом. Микроволны индуцируют переменный ток в антенне, а выпрямитель преобразует переменный ток в мощность постоянного тока. Это место, в которое входит 3-километровый остров рекенны. Конечно, задача состоит в том, чтобы непосредственно поразить голову прямоугольников от массива антенн на расстоянии 36 000 км в пространстве. Для точного пучка микроволн требуется согласование фаз беспрецедентного масштаба. Фазы всех 1 миллиарда антенн на борту SPS должны были бы соответствовать друг другу, чтобы создать луч, который может точно нацелиться на ректальную решетку ниже.

Решение JAXA заключается в том, чтобы улучшить использование пилот-сигнала, отправленного с выпрямителей на землю, в антенны в пространстве. Каждая отдельная антенна будет соответствовать своей фазе пилот-сигналу для создания плотного пучка микроволн, способных поражать их цель.

Преобразование микроволн в постоянную мощность

Лабораторным испытаниям удалось достичь 80-95% преобразования мощности на обоих концах. В идеальном сценарии это означает, что вы можете получить доступ к 90% энергии, собранной спутником на земле. Экспериментальные коэффициенты конверсии по-прежнему составляют порядка 54% в полевых условиях, поэтому нам предстоит большая работа, прежде чем беспроводная передача энергии станет жизнеспособной.

JAXA уже запланировала серию демонстраций для передачи большой мощности на большие расстояния с использованием микроволн. Исследователи планируют выпустить сотни ватт на расстояние 50 метров. Демонстрационный блок будет иметь четыре панели, которые будут перемещаться по отношению друг к другу, чтобы напоминать движение антенны на орбите. Каждая панель 0,6 м х 0,6 м будет использовать сотни крошечных передающих антенн и приемных антенн для обнаружения пилот-сигнала и передачи 400 Вт, в общей сложности 1,6 кВт для прямой. В случае успеха принимающая прямоугольная решетка должна иметь мощность 350 Вт, что сделало бы ее первой успешной демонстрацией как передачи большой мощности, так и большого расстояния.

Космические перевозки и строительство

В последние годы космический транспорт видел много прессы из-за успеха таких компаний, как SpaceX, Virgin Galactic и United Launch Alliance. По мере того, как многоразовые ракеты становятся реальностью, автоматизированные стыковочные системы улучшаются, а затраты на запуск снижаются, возможность доставки материалов в космос для крупномасштабного проекта строительства становится более реалистичной. Строительство Международной космической станции создает прецедент того, как JAXA может построить свой большой SPS в космосе. Построение модульных деталей на земле и сборка их в пространстве уже в наших возможностях.

Нам просто нужно сделать поездку на низкоорбитальную орбиту дешевле с многоразовыми ракетами и улучшенными системами запуска.

Спутниковый контроль

JAXA разработала две концепции для спутника солнечной энергии, которые могли бы эффективно собирать энергию с Солнца на орбите Земли. Первый, более простой из них включает использование стабилизации градиента силы тяжести для поддержания положения солнечного коллектора на орбите Земли. Спутник будет состоять из одной большой панели на верхней поверхности, покрытой фотогальваническими ячейками, и другой большой панели на нижней поверхности, покрытой передающими антеннами. В центре между двумя панелями находится автобус, блок, в котором размещаются системы связи и управления спутниками. Две панели привязаны к шине кабелями длиной 10 км. Панель, ближайшая к Земле, испытывает чуть более гравитационное тяговое усилие, чем центробежная сила, тогда как верхняя панель испытывает немного большую центробежную силу, чем гравитационное притяжение. Результатом является стабилизация градиента силы тяжести, баланс сил, который поддерживает положение спутника на геосинхронной орбите Земли без потребности в топливе, представляет собой огромную экономию средств.

Эта базовая конфигурация имеет один яркий недостаток; ориентация солнечного коллектора фиксирована и приведет к огромным изменениям в выработке электроэнергии, поскольку спутник соответствует спину Земли. Вторая конфигурация, таким образом, добавляет два гигантских летающих зеркала, которые удерживают солнечный свет на солнечных батареях 24 часа в сутки. Свободные летающие зеркала должны были бы лететь в строю и потребовать значительного обновления от маневра стыков, используемых космическими агентствами сегодня.
Они также должны были быть построены из легкого, но прочного материала. Гораздо более вероятно, что первая реализация будет использоваться на начальном этапе, пока будут разработаны технологии полетов и усовершенствованные материалы.

Электроэнергетика и управление

Космическая солнечная энергетическая система такого масштаба потребует подстанции на земле, чтобы использовать мощность постоянного тока, генерируемую из прямоугольной решетки, и преобразовывать ее в переменную мощность для электрической сети. К счастью, когда мощность достигает подстанции, управление этой нагрузкой постоянного тока становится стандартной электростанцией. Подводные силовые кабели передавали бы мощность от искусственного острова до электрической сети города.

Будущее космической солнечной энергии

Критики космической солнечной энергетической системы в первую очередь связаны с присущей потерей эффективности, связанной с переходом от фотона к постоянному току на земле. Общие потери эффективности складываются на каждом этапе процесса преобразования. Во-первых, есть потеря, связанная с нашей способностью использовать фотогальванический эффект, общий для всех солнечных фотоэлектрических систем. Затем происходит потеря энергии от преобразования постоянного тока в микроволновую антенну на борту спутника, преобразования в ток переменного тока в прямоугольной области, выпрямление его на постоянный ток снова для поглощения подстанцией, а затем окончательное преобразование его в ток переменного тока для распределения на городская сетка. Тем не менее, атмосфера в сочетании с проблемами прерывистой погоды и сумерек огромна и может быть больше, чем потеря мощности от беспроводной передачи энергии. SPS особенно привлекательны для таких мест, как Япония, которые имеют ограниченную территорию и не имеют ископаемого топлива.

Время покажет, могут ли технологические достижения сделать его более дешевым для сбора солнечной энергии с использованием космических солнечных энергетических систем