קרן ההנדסה של כוח סולארי מבוסס חלל

כוח סולארי מבוסס חלל (SBSP) נועד לאסוף אנרגיה סולארית במסלול, שבו השמש היא קבועה אינטנסיבי, ואז להיותם זה אלחוטית לכדור הארץ.בניגוד בחוות סולאריות ארציות, SBSP פועל מעל כיסוי ענן ופיזור אטמוספרי, לכידת בערך 2,000 וואט למטר רבוע בחלל, בהשוואה לממוצע גלובלי של 170 וואט למטר על הקרקע.

אדריכלות מערכתית של SBSP Satellite

לוויין ה-SBSP הקנטון מכיל ארבע תת-מערכות עיקריות: מערך פוטו-וולטאי גדול, המרת חשמל ואלקטרוניקה ניהולית, משדרת מדורה, ומערכת בקרת גישה מדויקת.כל אלמנט חייב להיות מותאם עבור מסה, יעילות ואמינות בסביבת החלל.

קרינת השמש: מקסמת האזור-המוני

לוחות סיליקון קשיחים מדי עבור לווייני מרובות-ג'יגהוואט.עיצובים מודרניים משתמשים בצילומים דקים-סרטים כגון: Graium arsenide (GaAs) או perovskite-on-silicon tandem תאים, אשר להשיג יעילות מעל 35% תחת נוזל סולארי מרוכז (Ricials) של כדור הארץ (Ricials) כדי להפחית את הצמיגים אולטרה-Riclerexitretretretretretretretretretretre), העלולים מורכבים של תאים גמישים או פולימתאים פולימדומים של תאים עמידים (Ricial) או פולימתאים פולימדומים (Ricial) על ידי תאים) על ידי תאים) או Rlimatedemdemdemdemdem טמפרטורה של תאים) של תאים סטרוריד 5Bolrelimate) על ידי תאים גמישים (Ricial) על ידי תאים גמישים (Ricialdem) על ידי תאים סטרוריד חשמלי נמוך יותר מגובה על ידי תאים צהובים (Ricial) על ידי תאים) על ידי תאים) על ידי תאים גמישים) על ידי תאים חשמליים (Ricialdem טמפרטורה מוגבלת

כוח ההסכמה והמצב

מערך Photovoltaic לייצר זרם ישיר נמוך (DC) אשר חייב להיות מוגדל למתח גבוה (בדרך כלל 1-10 kV) עבור שידור יעיל מעל אוטובוס של הלוויין. Solid-state כוח להמיר על בסיס סיליקון carbide (SiC) או גליום ניטר (GaN) מציעים מעבר מעל 100 kHz עם הפסדים מתחת ל 5%.

אספקת חשמל אלחוטית: מיקרוגל לעומת לייזר

שתי טכנולוגיות שידור עיקריות להתחרות ב-SBSP: גלי רדיו מיקרוגל (RF) מחלחלים לייזר אינפרא אדום קרן.כל אחד מציע שינויים מסחריים נפרדים ביעילות, ביצועים אטמוספריים, פיזור דבורים ובטיחות.

מערכות מיקרוגל (RF)

הגישה הבוגרת ביותר, שאוספת על ידי נאס"א ו- JAXA, משתמשת באנטנות בשלב של קרינת רנטגן שפועלת ב-2.45 GHz או 5.8 GHz - תדרים בתוך להקות ISM ושקיפות רבה דרך האווירה. עיצוב טיפוסי מורכב מאלפי אלמנטים אנטנה טטניים על מבנה של GHz כבד, כל אחד עם עובר קבוע המאפשר קיבולת אלקטרונית מ DC ל- C (מרחב) יכול להיות מעל 56% של ירידה במשקל של 5 ק"מ"מ"מ"מ) עם ירידה של 2 ק"מ (ב) עם ירידה של פחות ממרחק של 5 ק"מ- 2 ק"מ"מ) עם ירידה של 5 ק"מ יותר ממטר על פני שטח מוגבל של 2 ק"מ על פני שטח מוגבל של 2 ק"מ- 5 ק"מ- 2 ק"מ עם ירידה של 2 ק"מ עם ירידה של 2 ק"מ- 2 ק"מ עם מסלול קבוע יחסית מ- 2 ק"מ עם מומנטום מנוהלת עם מסלול משתנה יחסית ממרחק של מערכת אבטחה קבוע של 2 ק"מ על ידי ירידה של 2 ק"מ על ידי ירידה של מערכת אבטחה קבוע של 2 ק"מ על ידי ירידה של 2 ק"מ על ידי ירידה

לייזר (Optical) Systems

Proposed עבור פלטפורמות SBSP קטנות (10-100 MW), שידור לייזר משתמש לייזרים בעוצמה גבוהה צר פס (למשל, לייזרים סיביים ב 1.06 מיקרומטר או 1.55 מיקרומטר) יתרונות כוללים הרבה יותר קוטרים מקלט קרקעיים קטנים (עשרות מטרים), גורם קטן יותר לווייני נמוך יותר, ולהפחית את אובדן שידור אטמוספרי בשמי צלולים, עם זאת, חסימת לייזר היא לחלוטין, חסימת מקלטים חשמליים או תחנות לייזר גבוהות של פחמן (אונדאז') דורשות גבוהה של תאים חשמליים (אונדקטינים) לחץ דם נוזליים (אונדקטינים).

בקרת בטיחות ותחנות - Keeping

לוויין SBSP חייב לשמור על הצבעה מדויקת של מערך השמש שלה כלפי השמש ואת משדר שלה לכיוון תחנת הקרקע, כל זאת תוך ניהול לחץ סולארי מומנט שיכול לסובב את המבנה הגדול.תגובה גלגלים ולשלוט הרגע הגירוסקופים מספקים דיוק מצביע דק (0.01° עבור שידור מערכות מיקרוגל) עבור מסלול גיאוסטארי, תחזוקת תחנה דורש כוויות מעגליות כדי ייצוב של כמה קילומטרים של לחץ אווירי חשמלאי (או לחץ אווירי) על פני שטח חשמלי מינימלי של 10 שניות) על פני שטח חשמלי מסוים של לחץ אווירי חשמל-אוויר (או לחץ אווירי) על פני ייצוב) על פני ייצוב של מספר שניות (מחץ חשמלי (R) על פני ייצוב) על פני ייצוב של ייצוב של ייצוב של קרינת חשמל-אוויר מינימלי של ייצוב) על פני קרינת חשמל-אוויר (או לחץ אווירי לחץ אוויר מינימלי של ייצוב) על פני קרינת חשמל-אוויר (מחץ אווירי) על פני ייצוב) על פני קרינת חשמל-אוויר מינימלי של מספר שניות) על פני קרינת חשמל-אווירהטווח של מספר שניות) על פני קרינת חשמל-אוויר (R) על פני קרינת חשמל-אוויר (מחץ) על פני ייצוב של ייצוב) על פני קרינת חשמל

בחירה ואנרגיה קצירת דמויות

הבחירה של הגובה המקיפה באופן דרמטי משפיעה על עיצוב מערכת SBSP, איסוף חשמל, וכדאיות שידור.שלושה סוגי מסלול ראשוני נמצאים תחת לימוד.

Geostationary Earth Orbit (GEO)

בגובה 35,786 ק"מ, לוויין GEO מופיע קבוע על פני השטח של כדור הארץ, ומאפשר תאורה רציפה של 99% של השנה (מלבד ליקויי שוויון קצרים) זה מפשט את עיצוב תחנת הקרקע ומבטל את התוספת בין לווינים מרובים.עם זאת, תוצאות המרחק ארוכות בפיזור עצום של צינורות מיקרוגל, הדורשות מערך ראווה מסיבי (5-15 ק"מ) על גבי קוטר זה חייב להיות סובל מבסיס חשמלי קשה ביותר.

אורביט נמוך לכדור הארץ (LEO) ו- Medium Earth Orbit (MEO)

קבוצה של עשרות עד מאות לווייני LEO (גובה של 500-2,000 ק"מ) יכולה לספק כיסוי גלובלי עם מרחקי שידור קצרים יותר (כמטרים של מקום מתחת ל-1 ק"מ) ושפל נמוך יותר.O SBSP סובלים מצללים תכופים תכופים (12-15% סביב הפסד ללא הגבלת זמן) ומספר רב של תחנות כוח קרקעיות בין לוויינים יחיד, אך קבוצת הכוכבים יכולה להיות מורכבת מ-ידיים (או-ידיים) אך נמוכה יותר מ-ידי צוות של קבוצות אוויר (או-או-או-או-או-או-או-או-ידיים (או-אוויר) אך נמוכה יותר מתחנות כוח-ידיים בין תחנות כוח-ידיות) ועלויות מסחר בינוניות) ו-ידיות (GIRClimates) ו-20,000 דולר) ו-ידיים בין תחנות כוח-ידיים (או-ידיות) ו-ידי צוות של תחנות כוח-ידי צוות של תחנות כוח-ידי צוות של תחנות כוח-ידי צוות בינוניות (GIRClimate) ועלויות מסחר בינוניות (GIRCV20.000) ועלויות מסחר בינוניות) ועלויות מסחר בינוניות (או-ידי תחנות כוח-ידי תחנת כוח-ידי צוות בינוניות (

השמש-סינכרוני ואחרים מיוחדים

מסלולים סנכרון (בדרך כלל 600-900 ק"מ) לשמור זווית קבועה ל הווקטור השמש, פשט את העיצוב של מערך השמש על ידי חיסול התאמות הטיה עונתיות.עם זאת, קדמה של המטוס המקיפים דורשת טבעת של תחנות קרקע או אחסון אנרגיה בתוך אוביט (טיולים או ייצור מימן) כדי לכסות את הצד האפל.

המונחים: Gridאינטגרציה

האנרגיה שנאספו על ידי הלוויין מועברת כדבורה ממוקדת לתחנת קרקע על פני כדור הארץ.הנדסה של תשתיות קבלה אלה היא קריטית כמו פלח החלל.

Rectenna Arrays

המקלט העיקרי עבור מיקרוגל SBSP הוא אנטנה מרגיעה (rectenna) שממיר את אנרגיית RF בחזרה לחשמל DC.שדה רטינה מורכב מאלפי dipoles בעלות נמוכה או אנטנה חתומה, כל אחד מחובר לתצורה של תחנת עץ וואטקי כמו גרוטרדים בגובה של 15%.

המונחים: power Conditioning and Synchronization

הפלט DC מהשדה של רטינה הוא במתח נמוך ובזרם גבוה, בדרך כלל 0.5-1 V לכל רכיב. מהנדסים משלבים מאות אלפי אלמנטים בתצורה של סדרתי-המקבילה לייצר 50-200 kV DC עבור שידור באמצעות קווים מעל פני השטח לקישור הרשת הקרובה ביותר.Inverters להמיר DC ל-AC (60 הרץ בתחנות צפון אמריקה, 50 דקות) עם עיוות הרמוני באמצעות ממירים נמוכים באמצעות מהפךים ל-Crepericamicams (שלבי זמן קצר) ו-Crepericial) עם שינויים מהירים (Riclebericial) ו-GPS) עם שינויים מהירים (Riclebericlebericleam).

שימוש בקרקע והשפעה סביבתית

רטטה של 5- ק"מ ממטר דורש בערך 20 קילומטרים רבועים של שטח קרקע, בדומה לחווה גדולה של קיבולת השמש של קיבולת שווה ערך.עם זאת, ה- שיבת הרטינה מאפשרת 70–80% מאור השמש לעבור, המאפשרת שימוש כפול עם חקלאות או רינג. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אתגרים הנדסיים מרכזיים ומייגים

כמה מכשולים מערכתיים נשארים לפני SBSP יכול להגיע פריסה בקנה מידה גדול של קבוצות הנדסה ברחבי העולם הם מכוצצים אלה באמצעות עיצוב חדשני ו prototyping.

Mass-to-Orbit Constraints ו- Launch Costs

(המחסום הגדול ביותר ל-SBSP הוא מסה של המערכת.A.A.GW class GEO עשוי לדרוש 2,000-5,000 טון מטרי במסלול, הרבה מעבר ליכולת השיגור הגדולה ביותר, ספינת החלל של SpaceX, יכולה להרים כ-100 טון ל- LEO ואולי 30 טון ל- GEO.

ניהול גרוע בסביבה הבושה

לוויין רחב-ג'יגה-וואט יניב חום פסולת משמעותי מאלקטרוניקה חשמל ואפקטים פוטו-וולטאיים (Valttaic In theוואקום של החלל, המנגנונים הקירור היחידים הם קרינה והתנהלות.מעצבים לפרוס FLT:0deployable RF Panels כגון ⁇ CLT-1, 000 000 000 פחמן-aplimates) חייב להיות מטבולי של חומרים גמישים (למשל, אלומיניום או סיליקון) למאות ממטר תרמיים של מתכת 2 ממטרים (מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ) כדי ל"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ) כדי למזערי של נוזל חום) כדי ל"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ- 2 מ"מ"מ-R.

תחנת החלל Debris ו- Micrometeoroid Impact Resistance

לוויינים SBSP עם מערך סולארי עצום מציג שטח גדול של פסולת ומיקרו-מיקרו-מיקרו-אורואידים, אפילו חלקיק 1 מ"מ יכול לחדור פאנל סולארי באמצעות השפעה מכתש ודור פלזמה קצר-circuit, אשר חייב להיות חסום לוחות חשמליים מוגבלים על ידי אנטנות (FLT:1,FLT2-heal Reconitated תאים סולריים) עם פולשים מרובים (Fervdialdial) ו-Ferdialdialdialdialdialds)

השלכות אטמוספיריות ואפקטי מזג אוויר

(ב) למיקרוגל SBSP, אטמוספירינציה אטמוספרית נמוכה (פחות מ-2% ב-2.45 GHz תחת שמיים צלולים) אך עלייה של כ-8% במהלך גשם כבד ב- 5.8 GHz ועננים יש השפעה רשלנית בתדרים מיקרוגל.

מדיניות ויציבות כלכלית

יש להתאים את יכולת ההנדסה לריאליזם הכלכלי והתקנות הרגולטורי.התחזיות הנוכחיות של הצמחים הראשונים מסוג SBSP נעות בין 300 $-500 דולר ל- מגהוואט לשעה (MWh), בהשוואה ל- 30–60/MWh לתמחור הארצי והשמשי. עם זאת, ערך SBSP נמצא במשלוחי חשמל 24/7 ללא אחסון, אשר מפקד על פרמיהה בשווקים ($250 דולר לכיסוי אשראי) על ידי חברת SBSECIBS (US) ו-250 דולר) על ידי מערכת הפעלה אוטומטית של 50 דולר) על ידי פליטות פחמן-250 דולר) על ידי פליטות פחמן-250 דולר, כולל עלויות מחקר אלקטרוניות (S).

שרידים כוללים את FLT:0 [spectrum הקצאהFLT] 1 עבור שידור חשמל אלחוטי בלהקות ISM 2.4-5.8 GHz, אשר כיום להתמודד עם תחרות מ-Wi-Fi, Bluetooth, ו מכ"ם.ועידת התקשורת העולמית ITU תצטרך להקצות תדרי SBSP ייעודיים כדי למנוע התערבות מזיקה על ידי גופים כמו FAA יחייב להיות אוטונומי בתוך מערכת יחסים מיקרו-אטומית (ITU) או מטרות חלליות עבור חוזים בינלאומיים (ISP) כדי למנוע מסדרונות בינלאומיים (IFREFREFREFREFREOBS) כדי למנוע הפרעה מסדרונות) כדי למנוע הפרעה מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות מסדרונות ⁇ .

גילויים אחרונים ו- Future Outlook

כמה הפגנות אבן דרך אישרו את טכנולוגיות הליבה:

  • (FLT:0JAXA (סוכנות חקר החלל היפנית) ,HIRLT:1) ביצע ניסוי מבוסס קרקע בשנת 2015 כי העברת באופן אלחוטי 1.8 קילוואט של כוח מיקרוגל מעל 50 מטרים.ב-2023, JAXA השיגה מבחן אווירי באורך 50 מטר עם מזל"ט קטן, המפגין נדיבות של הנעה.
  • פרויקט כוח השמש של Space Power Project (SSPP)FLT) 1:1 השיקה מפטור טיסה בינואר 2024 על חללית הרגעוס ויורוריד.החללית נושאת אריח של משדרי פוטו-וולטאיים קלים ומיקרוגל כדי לבדוק את כוח החדירה למסלול.
  • (FLT:0 China's CAST (האקדמיה הסינית לטכנולוגיה חללית)FLT) 1:1 הודיע על תוכניות להשיק לוויין SBSP קטן עד 2030, ואחריו מערכת מבחן 1MW במסלול הגיאוגרפי עד 2035.
  • (FLT:0) סוכנות החלל הבריטית, מכון החלל הבריטי, מממן מחקרים על ידי חברות כגון Space Solar Ltd. לפתח מושג לוויין של 200 מגה-וואט באמצעות עיצוב חדש "מודול סניפי" המשלב תאים סולאריים, המרת חשמל ומערךים מתואמים.

העשור הבא יהיה קריטי: אם עלויות השיגור ימשיכו לרדת ואחד מהמפגינים הללו מוכיחות את האפשרות הסופית (הדור של אמא, להצביע, המרה, הזריקה ברשת), SBSP יכול למשוך השקעות פרטיות וממשלתיות גדולות. עד 2040, נוכל לראות את מערכות מגה-וואט התפעוליות הראשונות, הדרגות לקראת שיעור ג'יגה-וואט עד 2060.

מסקנה

הנדסה של לווייני חשמל סולאריים מבוססי חלל מציגה אתגר גדול על התוכנית אפולו או פיתוח של מערכת אינטרנט. Key subsystems - אולטרה אור photovoltaics, שידור כוח אלחוטי יעילות גבוהה, ניהול תרמי בקנה מידה חסר תקדים, ובקרת גישה מדויקת אוטונומית - התקדמות מטיפוסי מעבדה ועד חומרה מבוססת טיסה.