Table of Contents
La promessa e la sfida del potere solare basato sullo spazio
L'energia solare terrestre (SBSP) rappresenta un cambiamento fondamentale nella generazione di energia, promettendo di fornire energia pulita e di base indipendentemente dal tempo terrestre o dal tempo diurno.
I primi concetti degli anni '70 hanno assunto enormi strutture pesanti con elettronica semplice e a bassa tensione. Oggi, il paradigma si è spostato verso piattaforme modulari, leggere che si basano su avanzati Potenti di potenza], ]
L'architettura del sistema SBSP: una prospettiva elettronica
Il sistema SBSP è intrinsecamente un sistema elettrico multistadio, che comprende l'architettura è fondamentale per identificare i componenti ad alto impatto che dettano l'efficienza e la redditività del sistema. Il sistema è diviso in tre domini elettrici: il segmento spaziale, il collegamento di potenza e il segmento di terra.
Il segmento spaziale: Power Collection e conversione RF
Il segmento di spazio esegue due funzioni elettriche principali: generare alta tensione di corrente DC dal flusso solare e convertire che l'alimentazione DC in un raggio di frequenza radio ad alta potenza (RF). Gli array solari, probabilmente basati su celle di multi-giuntizione III-V ad alta efficienza, emettono una tensione relativamente alta per ridurre l'efficienza I2R perdite.
Il segmento terra: recupero energetico e integrazione della griglia
La stazione di terra consiste in un grande retnna array— un campo di antenne interconnesse e circuiti di rettifica. Ogni elemento del retnna incorpora un circuito di rettificatore diodi, filtraggio e un combinatore di potenza per convertire l'energia elettrica del forno a microonde incidente di nuovo in corrente continua ad alta tensione o corrente alternata.
Il collegamento di alimentazione wireless
Il collegamento radiofrequenza è definito dalla frequenza di trasmissione, tipicamente 2.45 GHz o 5.8 GHz. La scelta della frequenza comporta un trade-off tra dimensione dell'antenna, assorbimento atmosferico e disponibilità dei componenti. Le frequenze più elevate (5.8 GHz) permettono di antenne più piccole ma soffrono di assorbimento maggiore nella pioggia.
Indurimento dell'ambiente di Harsh: la Fondazione di elettronica SBSP
I componenti elettronici nello spazio devono sopportare condizioni severe che degradano rapidamente le apparecchiature terrestri standard. Per SBSP, la combinazione di alta tensione, alta potenza e l'ambiente spaziale rende la selezione dei componenti un compito complesso.
Effetti di radiazione su Elettronica di potenza e RF
I moduli di misurazione della tensione di soglia (TID) possono causare un aumento della corrente di dispersione dei MOSFETs e dei dispositivi bipolari.
Gestione termica in vuoto
L'elettronica di potenza genera calore significativo, e in un vuoto, gli unici meccanismi di raffreddamento sono la conduzione e la radiazione. La gestione termica è un driver di progettazione centrale. I dispositivi GaN ad alta efficienza generano meno calore, ma la densità del flusso di calore è molto alta. Soluzioni di imballaggio avanzate, come tubi di calore integrati e
Redundancy e Fault Tolerance Architetture
Data l'alto costo del lancio e l'impossibilità di riparare fisicamente in orbita geostazionaria, i sistemi SBSP richiedono una vasta tolleranza di guasto. Questo viene ottenuto attraverso architetture di potenza distribuite (ad esempio, microgriglie DC all'interno della piattaforma) e configurazioni di stringhe ridondanti per gli amplificatori. I sistemi di controllo devono essere in grado di rilevare un guasto (un amplificatore guasto o un corto circuito in una linea di distribuzione), isolarlo, e riconfigurare l'uscitare l'uscita di potenza applicata in uscita di N+1 è in uscita di potenza.
Conversione e gestione di potere di generazione successiva
Il cuore del segmento spaziale è il sistema di gestione e distribuzione di energia (PMAD), la massa e l'efficienza del sistema PMAD influiscono direttamente sulla redditività complessiva di SBSP.
Semiconduttori di banda larga: GaN e SiC nello spazio
GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs)] operare a frequenze di commutazione molto elevate (intervallo MHz), consentendo significative riduzioni delle dimensioni dei componenti magnetici (trasformatori, induttori) e dei condensatori di filtraggio.
Topologie del convertitore DC-DC ad alta tensione
I sistemi SBSP operano con alte tensioni di autobus (centri di frequenza a migliaia di volt) per ridurre al minimo le perdite di resistenza nel cablaggio di distribuzione.
Massimo monitoraggio del punto di potenza nell'ambiente spaziale
Gli algoritmi MPPT, implementati in microcontroller con radiazioni o FPGA, regolano continuamente il punto di funzionamento degli array per estrarre la massima potenza. Gli algoritmi avanzati come Perturb e Observe sono raffinati con elementi predittivi per gestire i rapidi cambiamenti di illuminazione e temperatura sperimentati durante le transizioni orbitali.
Sistemi di antenna avanzati e di formatura
La trasmissione di potenza wireless (WPT) richiede una robusta elettronica RF che può gestire alti livelli di potenza mantenendo un controllo preciso sulla forma e sulla direzione del fascio.
Antenne a raggi d'aerazione e MMIC GaN
L'amplificatore Wrete-Wrete è un dispositivo di trasmissione a banda larga, che consente di integrare le frequenze di trasmissione a banda larga e a banda larga.
Controllo del vapore retrodirettivo per sicurezza e precisione
Per garantire che il raggio ad alta potenza rimanga sicuro sul rettnna, l'array utilizza il controllo retrodirettivo. Un segnale pilota viene trasmesso dal centro della rectenna. L'array di spazio riceve questo segnale, coniuga la sua fase e ritrasmette il fascio ad alta potenza indietro lungo lo stesso percorso.
Tecnologia Rectenna e conversione RF-to-DC
Il design dell'antenna dipolo o patch è ottimizzato per la frequenza di funzionamento specifica. Il circuito di rettifica utilizza diodi Schottky per convertire RF a DC. Conseguente ad alta efficienza RF-to-DC (oltre l'80%) alle densità di potenza inferiori che si trovano al bordo del fascio è una sfida che spinge la ricerca di circuito di rettificatori.
Controllo intelligente, Telemetria e Autonomia
Una piattaforma SBSP è essenzialmente un gigantesco impianto di potenza autonomo incustodito che opera in un ambiente ostile.
Il ruolo dell'apprendimento automatico nelle operazioni
Gli algoritmi di apprendimento automatico sono in fase di sviluppo per gestire i parametri sanitari e operativi dei milioni di componenti a bordo. L'IA può ottimizzare la forma del fascio per massimizzare il trasferimento di potenza contabile per le condizioni atmosferiche e la temperatura di retnna, prevedere i guasti negli amplificatori di potenza analizzando i sottili cambiamenti nella telemetria e regolare la condivisione di potenza tra i diversi moduli.
Link di telemetria e di comando ad alta velocità
Il controllo e il monitoraggio richiedono un collegamento ad alta velocità tra il segmento spaziale e il terreno. L'elettronica di controllo gestisce i complessi calcoli necessari per la teleformazione, il monitoraggio della salute del sistema e la mitigazione dei guasti. I dati di migliaia di sensori devono essere aggregati, elaborati e compressi prima di essere inviati a terra.
Recenti progetti di Milestones e Dimostrazione
Diversi progetti recenti hanno spostato SBSP da studi teorici a dimostrazioni hardware pratiche, convalidando le prestazioni dei componenti elettronici coinvolti.
Progetto di energia solare spaziale di Caltech
Il lancio dell'orbita Caltech SSPD-1 nel gennaio 2023 segnava una pietra miliare significativa. La dimostrazione convalidava tre tecnologie chiave: il MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) apparato che ha trasmesso con successo l'energia wireless nello spazio e l'ha rilevata a un ricevitore sul satellite; le piastrelle fotovoltaiche ALBA D fase testata diverse tecnologie di celle solari
Sforzi di ricerca internazionali: JAXA e ESA
La JAXA del Giappone è stata una guida di lunga data nella ricerca SBSP, avendo dimostrato un trasferimento di potenza wireless da 1,8 kW tramite microonde in un esperimento terrestre nel 2015. La loro roadmap include una dimostrazione geostazionaria negli anni 2030. L'Agenzia spaziale europea SOLARIS Initiative]]] si concentra sulla costruzione di una fondazione tecnologica e sulla valutazione della fattibilità dei programmi di sviluppo avanzato SBSP.
La strada principale: dalla dimostrazione alla scala di utilità
Il passaggio da dimostrazioni tecnologiche di successo a un sistema SBSP su scala di utilità da 1 GW richiede di superare sfide significative nella produzione, nell'assemblaggio e nella politica.
Produzione e montaggio modulare
Per scalare un sistema di classe gigawatt, migliaia di tonnellate di elettronica devono essere prodotte e assemblate nello spazio. Ciò richiede un passaggio da elettronica di spazio su misura, a basso volume a alta volume, produzione a basso costo[]] di moduli di livello spaziale.
Allocation e sicurezza dello spettro
Un importante ostacolo non tecnico è il riconoscimento internazionale per la trasmissione a microonde ad alta potenza attraverso l'atmosfera. Le bande di frequenza utilizzate per SBSP (2.45 GHz, 5.8 GHz) sono condivise con comunicazioni terrestri e radar. Il filtraggio avanzato e l'elettronica di modellazione a raggi deve essere sviluppato per prevenire le interferenze con altri servizi.
L'Equazione Economica e il Costo Componente
Le riduzioni dei costi di lancio (driven by reusable launchers) stanno cambiando l'equazione economica drammaticamente. Tuttavia, il costo delle celle solari ad alta efficienza, MMIC GaN e grandi antenne phased array rimane significativo.