DAOrayaki |天基太阳能

阻碍太阳能发电的一个主要障碍是头顶上的大气层所带来的固有间歇性问题。地球表面的太阳能电池只有在太阳升起的时候才能发电,而对于许多国家,尤其是北半球的国家,持续的云层覆盖会阻碍太阳能经济。

DAOrayaki |天基太阳能

阻碍太阳能发电的一个主要障碍是头顶上的大气层所带来的固有间歇性问题。地球表面的太阳能电池只有在太阳升起的时候才能发电,而对于许多国家,尤其是北半球的国家,持续的云层覆盖会阻碍太阳能经济。

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:40 USD

研究种类:Space Exploration,Solar Power

原文作者:   Energy Science

创作者:Heyyawn@DAOrayaki.org

审核者:Yofu@DAOrayaki.org

原文:  Space-Based Solar Power

阻碍太阳能发电的一个主要障碍是头顶上的大气层所带来的固有间歇性问题。地球表面的太阳能电池只有在太阳升起的时候才能发电,而对于许多国家,尤其是北半球的国家,持续的云层覆盖会阻碍太阳能经济。

但是,如果你能完全绕过大气层,直接利用太空中的太阳能,那会怎样呢。1941 年,科幻作家艾萨克 · 阿西莫夫(Isaac Asimov)在他的短篇小说《推理(Reason)》中谈到,空间站可以用微波束将从太阳收集的能量输送到各个星球。

今天,根据日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)Susumu Sasaki 博士的说法,科幻小说所描述的可能在未来 25 年内成为科学事实。2014 年 4 月,JAXA 发布了一项关于进行一系列地面和轨道实验的提案,该提案可能促使其在 21 世纪 30 年代之前开发出一个功能齐全的天基太阳能系统。

天基太阳能发电的历史

在太空中收集太阳能的想法并不新鲜。第一块硅基太阳能电池的发明和太空探索的出现后不久,人们就意识到可以将这两种技术进行有机结合。

1968 年,美国航空航天工程师 Peter Glaser 撰写了第一份关于天基太阳能系统的正式提案,距离尼尔 · 阿姆斯特朗(Neil Armstrong)漫步月球仅一年。1973 年,他获得了卫星太阳能发电系统(SSPS)的第 3781647 号专利,该系统通过将太空天线上的微波发射到地面上更大的天线上,来实现太阳能的长距离传输。

地面接收器后来被称为整流天线。1974 年,曾任 Arthur D.Little 股份有限公司副总裁的 Glaser 与美国宇航局签订了一份合同,领导一项更全面的研究。

最初的报告足以使得美国宇航局在 70 年代和 80 年代为该项目研究和开发提供资金。管理层的更迭最终阻碍了这一想法的进一步发展。根据技术评估办公室的结论,天基太阳能系统在技术和经济方面存在太多的未知因素。

直到 1999 年,美国宇航局才通过其天基太阳能探索研究和技术 (Space Solar Power Exploratory Research and Technology,简称 SERT) 计划,再次认真研究天基太阳能。他们为使用地球同步轨道的太阳能卫星 (SPS) 概念奠定了基础,并建立了总体可行性和设计要求。SPS 概念包括一个千兆瓦的空间电力系统,该系统采用充气式光伏游丝结构,利用太阳能热机发电。

这项研究得出了一个关键教训,为了使 SPS 的建设变得可行,近地轨道的发射成本必须降至每公斤 100 - 200 美元的范围。快进到 2014 年 5 月,JAXA 恢复了他们的工作。让我们仔细看看天基太阳能发电的最新路线图。

目标

每个路线图都需要一个目的地,而对于天基太阳能, JAXA 已经提出了一个商业上可行的 1 千兆瓦天基太阳能系统。

天基太阳能系统将由一颗地球同步轨道卫星组成,配备最先进的硅基太阳能电池。

轨道反射镜确保在卫星随地球旋转的过程中,阳光始终集中到卫星的太阳能电池板上,即使它位于地球与太阳相对的一侧。在地面上,一个 3 公里长的人造岛配备了 50 亿个微型整流天线,接收从 36,000 公里高空的卫星发射下来的微波,将其转换为直流电。

岛上的变电站通过一条海底电缆将电力直接输送到东京繁忙的电网。作为一个雄心勃勃的项目,佐佐木(Sasaki)博士强调了六个发展领域:无线电力传输、空间运输、空间建设、卫星控制、发电和电力管理。

无线电力传输

19世纪末,尼古拉 · 特斯拉(Nikola Tesla)开始在纽约长岛北岸的瓦登克里夫(Wardenclyffe)建造他著名的 57 米高塔。他打算建造一个无线电力的原型传输塔,但 1904 年的预算削减和债务催收最终使他无法实现自己的梦想。

快进到今天,我们知道,远距离无线传输可以通过两种方法实现:激光和微波。但是激光不适用于天基电力传输,与我们首先要在大气层上方放置太阳能收集器的原因相同——云层会吸收或散射激光束。如果天基太阳能要发挥作用,它必须通过微波。

如何利用微波传输能量

能够实现天基太阳能发电的核心技术是将太阳能直流电转换为卫星上的微波,将其发射到地球,并在地面将其转换回直流电的能力。让我们从在卫星上产生微波开始。

微波的产生

为了产生微波,可以将光伏电池提供的直流电流引导至磁控管、速调管或其他真空管,以将电能转换为微波。

真空管利用电子在振荡磁场影响下的弹道运动来产生微波。使用较低频的微波有助于穿透大气,使用较高频的微波有助于减小天线尺寸,在此之间需要权衡。

因此,传输频率的候选值为 2.45 和 5.8 GHz。JAXA 计划建造的 1 GW 商业天基太阳能系统将需要至少 1 亿个 10 瓦的半导体放大器。

微波接收器

在地表上,需要一个整流天线(rectifying antenna 或 rectenna)来接收来自太空的微波并将其转换为直流电流。在最简单的迭代中,整流天线由配备有射频二极管的偶极子天线组成。微波在天线中产生交流电,整流器将交流电流转换成直流电。这就是 3 公里长的整流天线岛的用武之地。

当然,挑战在于如何从 36,000 公里的太空天线阵列中直接击中整流天线。瞄准一束精确的微波需要前所未有的相位匹配。SPS 上所有 10 亿根天线的相位必须能够相互匹配,以便产生可以精确瞄准下方整流天线阵列的波束。

JAXA 的解决方案是改进从地面整流天线发送到太空天线导频信号的使用方式。每根天线将使其相位与导频信号相匹配,以产生能够击中目标的紧密微波束。

将微波转换为直流电

实验室测试已经能够在两端实现 80-95% 的功率转换。在理想的情况下,你可以在地面获得卫星收获的 90% 能量。在实际情况下,实验转换率仍在 54% 左右,所以在无线电力传输成为可能之前,我们还有很多工作要做。

JAXA 已经计划了一系列使用微波远距离传输高功率的演示。研究人员正计划在 50 米的距离内发射数百瓦的功率。该演示装置将有四个面板,它们将相对移动,以模拟天线在轨道上的运动。

每个 0.6 米 x 0.6 米的面板将使用数百个微型发射天线和接收天线来检测导频信号,并将 400 W 的功率传输到整流天线,总功率为 1.6 kW。如果成功的话,接收整流天线阵列应该能够产生 350 W 的功率,这将使其成为首次成功演示的高功率传输和远距离传输。

空间运输和建设

近年来,由于 SpaceX、维珍银河(Virgin Galactic)和联合发射联盟(United Launch Alliance)等公司的成功,太空运输受到了很多媒体的关注。随着可重复使用的火箭成为现实,自动对接系统的改进,以及发射成本的下降,将材料运送到太空以进行大规模建设项目变得更加现实。

国际空间站的建造为 JAXA 在太空中建造大型 SPS 开创先例。我们已经能够在地球上建造模块化部件并在太空中组装它们。

现在我们只需要使用可重复使用的火箭和改进的发射系统,使前往近地轨道的旅行变得更便宜。

卫星控制

JAXA 为太阳能卫星提出了两个方法,以有效地在地球轨道上获取太阳能。第一个,也是两个方法中较简单的方法,利用重力梯度稳定来维持太阳能收集器在地球轨道上的位置。该卫星将由一块顶部表面覆盖有光伏电池的大面板和另一块底部表面覆盖发射天线的大面板组成。

在两个面板之间的中心是总线,即容纳卫星通信和控制系统的单元。这两块面板通过 10 公里长的电缆固定在总线上。靠近地球的面板所承受的引力略大于离心力,而上部面板承受的离心力略大于引力,这使得重力梯度稳定,这种力的平衡使得卫星在不需要燃料的情况下保持在地球同步轨道上的位置,这是一项巨大的成本节约措施。

这种基本方法确实有一个明显的缺陷:太阳能收集器的方向是固定的,当卫星与地球的旋转相匹配时,将导致发电量的巨大变化。因此,第二种方法增加了两个巨大的自由飞行镜,使阳光全天 24 小时都能照射到太阳能电池板。自由飞行镜必须能够编队飞行,这需要对空间机构目前使用的对接机动进行重大升级。

它们还必须由轻质但坚固的材料制成。在编队飞行技术和先进材料的开发过程中,在初期更有可能使用第一种实施方式。

发电和管理

这种规模的天基太阳能系统将需要一个地面上的变电站,将整流天线阵列产生的直流电转换成交流电,供电网使用。幸运的是,一旦电力到达变电站,管理这个直流负载就成为一个发电厂的标准操作。海底电缆将把电力从人造岛输送到城市的电网中。

天基太阳能的未来

对天基太阳能系统的批评主要关注从光子到地面直流电流的转换路径所产生的固有效率损失。在转换过程的每个步骤中,效率的总体损失会逐步累加。

首先,我们利用太阳能光伏系统共享的光伏效应存在损失。然后,将卫星上的直流电转换成微波,在整流天线上转换成交流电,再将整流电转成直流电,由变电站吸收,最后再转换成交流电,再输送到城市电网,这些都会造成能量损失。

除此之外,由于天气和夜晚的影响,大气中的间歇性问题仍然非常严重,可能比无线电力传输的电力损失更大。对于像日本这样土地有限且缺乏化石燃料的地方,SPS 尤其具有吸引力。

技术进步能否降低利用太阳能发电卫星系统收集太阳能的成本,时间将证明这一点。


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