Uzay tabanlı Güneş Güç Sistemlerindeki Güç Dağıtım Altyapısının Geleceği

Enerji Altyapısında Sonraki Sınır

Uzay tabanlı güneş enerjisi (SBSP) atmosferde ışıksızlığı, bulut örtüsü veya gün gece döngüsünden birini temsil eder, o zaman enerji kablosuz olarak toprağa bağımlı hale getirmek için sürekli olarak, tehlikeli bir alandaki elektrik akımının sabitlenmesi için mümkün olan binlerce temel yükün kaynağına bağlıdır.

SBSP Power Chain: Photon to Grid

Altyapı meydan okumasını bir SBSP sisteminde tam güç zincirinin açık bir resmi ile anlamak. Güneşten sokete yolculuk çeşitli aşamaları içerir, her biri kendi mühendislik kısıtlamaları ve verimliliği hedefleri ile.

Uzay Segment: Koleksiyon ve Dönüşüm

Uzay segmenti büyük güneş toplayıcılarından oluşur - bu aşamada üretilen elektrik, genellikle uzaklıkta güneş enerjisine dönüştürür ve bu kablolamadan önce önemli bir maliyetle yapılır.Bu şartsız hava kirliliğini sağlar.Bu şartsız havalesi, yüksek çözünürlükte ısıtılır.

Kablosuz Güç İletim: Sistem Kalbi

SBSP'nin tanımlama özelliği kablosuz güç iletimidir (WPT). İki birincil modalite ciddi bir şekildedir: Mikrodalga (RF) ve lazer (optik) Her biri dağıtım altyapısında farklı gereksinimleri uygular.

[FONT:0)Mikro dalga geçişi[Dönetici], mikrodalga yaklaşımında, uzay segmenti DC gücünü radyo frekansına dönüştürür, genellikle 2.45 GHz veya 5.8 GHz endüstriyel, bilimsel ve tıbbi (ISM) bandlara dönüştürür ve kirişler oluşur ve uzayın büyüklüğüne büyük bir fazlı anten kullanarak yönlendirilir.

[FONT:0]Laser Transmission.[[DÜDÜT:1] Lazer tabanlı sistemler, yüksek verimsiz diyot lazerler veya fiber lazerler enerjiyi tutarlı ışık olarak iletmeleri için daha küçük bir verici ve alıcıya verilen bir güç seviyesi ve mevcut iletim için yüksek performanslı sistemler (profesyonel olarak lazerler için uyarlanabilir) alıcılar için daha hassastır. Ancak, lazerler bulutlardan ve aerosollerden gelen değerlemelere daha hassastır.

Ground Segment: Reception and Grid Entegrasyon

Zemin segmenti büyük alan istasyonlarından oluşur - mikrodalga sistemleri veya fotovoltaik alıcılar için lazer sistemleri için verilir - bu da bu enerjiyi elektrik içine geri dönüştürmektir. Bu istasyonlar uygun hava koşulları, minimum radyo-fret müdahalesi ve alıcılardan gelen DC çıkışı daha sonra enerji dönüştürücüler, transformatörler ve ağ bağlantı ekipmanlarına geçişli gerilimler (tipik olarak 230 kV ile 765 kV) ile sitelerde yer almalıdır.

Tek bir 1 GW SBSP uydusu için temel istasyonlar birkaç kilometre boyunca bir retenna alanı gerektirecektir - geniş bir karasal güneş çiftliğine ölçeklenebilir. altyapı sadece kendi elementleri değil aynı zamanda hava izleme sistemleri ve alt istasyonlar da içeriyor. Lazer tabanlı sistemler için, alıcı alanı önemli ölçüde daha küçük olabilir, ancak SBS çeşitli veya karma sistemlerle bir araya getiren sistemlere ihtiyaç duyar.

Power Dağıtımı'nda güncel Mühendislik Challenges

On yıllar süren çalışma ve artımlı ilerlemeye rağmen, altyapı seviyesinde birkaç temel zorluk çözülmemiştir.

End-to-Bitki Verimliliği

SBSP için en kritik ölçüm son derece verimlidir: Enerjinin miktarı en sonunda güvenilir elektrik kaynağına ulaşırken, tüm enerji şebekelerine en iyi tahminler, her aşamada% 10 ila% 25 arasında gerçekleşir: fotovoltaik dönüşüm (~30-40%) ile karşılaştırılır.

Orbit Yönetimi

Uzaydaki güç dağılımı temel olarak termal bir problemdir. Güneş hücrelerinin elektrik kayıpları, güç kablosu elektronik ve RF yükselteçleri, uzay için reddedilen ısıyı oluşturur.Çok-gigawatt SBSP sistemi için, atık ısı yükü çok büyük - elektrik dağıtım panelleri için zorlaşıcı derecede büyük ve ağır. Gelişmiş ısı yönetimi teknikleri, ısı boruları, sıvı-metal soğutma döngüleri ve kullanılabilir radyatörler dahil olmak üzere, ısıtılabilir radyatörler üzerinde çalışılır.

Kiriş ve Güvenlik

Enerjiyi geostationary yörüngede sabit bir noktaya teslim etmek, elektriksel gradyanlardan gelen hataların düzeltilmesini sağlamak için, elektriksel gradyanlı sistemlerde sabit bir noktaya işaret etmek gerekir.Instesi, 0.1 ila 0,5 derece arasında olan elektrik akımının kapatılmasını gerektirir ve işaretsiz bir şekilde sıkılmalıdır.Adaptive kiriş sistemleri, fazlı dizileri kullanarak algılama sistemlerini gerçek zamanlı olarak azaltılabilir, ancak karmaşık ve güç tüketiminde karmaşık bir şekilde kontrol etmek gerekir.

Başlangıç ve İşe Alım Maliyeti

Gerekli kütleyi geostationary yörüngeye başlatma maliyeti, tek bir 1 GW SBSP uydusu, 3000 ila 10.000 $ arasında, potansiyel olarak GTO'ya kadar birkaç bin dolara mal oluyor, ancak sadece birkaç milyar dolar değerindeki inşaatın maliyetinin on milyar dolara çıkarılması gerekiyor.

Breakthrough Technologies Altyapıyı Yeniden şekillendirmek

Birkaç gelişmekte olan teknoloji, yukarıda belirtilen temel zorluklarla ilgili potansiyele sahiptir, SBSP'yi ticari gerçeğe doğru hareket ettirir.

Fazd Dizi Antenleri ve Adaptif Kiriş

Fazlı dizi anten, mikrodalga bazlı SBSP. Modern fazlı dizilerin arka kemiğidir (Döneticileri, her biri kendi faz kayması ve yükselteçleri ile, radyasyon-hardize FPGA'lar veya ASIC'ler olmadan, serinin mekanik bozulmasına, hatta minimum müdahaleye odaklanabilen yüzeysel yapılara odaklanabilir.

Özerk Robotik Meclis ve Servicing

yörüngede çok-köpekometre yapısı, mevcut uzay operasyonlarının ötesinde bir otomasyon seviyesi gerektirir. Gelişen robot sistemleri, örneğin, bilgisayar vizyonu ve benzeri sistemler, JPL ve diğer kurumlarda gelişmiştir[Döneticiler, taşıma, hizalama ve yükselteçmiş güneş panelleri ve modüler güç elemanlarının bağlantılarını yönetebilir.Bu robotlar, insan kontrolü olmadan çalışır, bilgisayar vizyonu ve besleme kuvvetlerini kullanarak, veri bağlantılarını ve yapısal ortaklar için aynı robotları azaltır.

Yüksek-Voltage Power Management ve Dağıtım (PMAD)

SBSP uzay aracı içindeki elektriksel güç dağıtım sistemi, kablolarda direnç gösteren kayıpları en aza indirmek için yüksek gerilimde muazzam akımları ele almalıdır.Mevcut uzay-özel güç sistemleri 28V, 120V veya yüksek çözünürlükte güvenilir şekilde çalışabilecek, 300V DC. For SBSP, 10 kV veya daha yüksek çözünürlükte endişelendirilmemektedir.Bu, kablolar, anahtarlar ve koruma sistemleri için daha yüksek çözünürlükte ve yüksek çözünürlükte güvenilir bir şekilde çalışabilecektir.

Grid Entegrasyon için Gelişmiş Enerji Depolama

SBSP'nin kendisi temel yük gücü sağlarken, karasal ızgaralarla entegrasyon, SBSP'nin diğer nesil kaynaklarına geçiş yapmak ve geçici hataları işlemek için enerji depolama ihtiyacını gerektirir.0)DOE değerlendirmeleri ile birlikte, depolama sistemi, retenna siteleri ile birlikte hızlı yüklenebilir depolama ihtiyacını vurgular (örneğin yükleme veya yükleme süresine göre) ve kalıcı hataların işlenmesi gerekir.

Altyapı Yolump ve Zamanlines

Laboratuvar gösterilerinin operasyonel SBSP altyapısına giden yol, her biri farklı teknik dönüm noktalarıyla üç aşamaya bölünebilir.

Aşama 1: Şeytanlar ve Alt ölçekli Geçerlilik (2025-2035)

Bu aşamada, çok sayıda ulusal uzay ajansı ve özel şirket, alt ölçekli prototipleri düşük Dünya yörüngesine (LEO) veya geostationary transfer yörünge (GTO) başlatmak için bekleniyor. Bu gösteriler, kiriş kontrol sisteminin son derece enerji zincirini on ila yüzlerce saat boyunca ölçecektir. Anahtar hedefler, 2030'da en gelişmiş füze deneylerinden biri.

2. Aşama 2: Pilot Sistemler ve Erken Ticari Servis (2035-2045)

Aşama 1 başarılı olursa, bir sonraki adım, 10-100 MW ölçeğinde bir veya daha pilot SBSP sistemlerini dağıtmaktır. Bu sistemler hala gigawatt-scale vizyonundan daha küçük siparişler olacaktır, ancak gerçek müşterilere güç sunmak için yeterince büyük olacaktır - uzaktan madencilik operasyonları, askeri üsler veya felaketler gibi - faz 2 için altyapı, özel bir yeniden yükleyici ekipman içerir.

Aşama 3: Tam ölçekli Gigawatt Altyapısı (2045-2060)

Son aşama, çok-gigawatt seviyesine ölçeklendirmeyi içeriyor, çoklu SBSP uydularını coğrafik yörüngede tutmak için küresel bir retenna istasyonları ağı hizmet ediyor. Bu ölçekdeki güç dağıtım altyapısı, özellikle 7/24 kullanılabilirlik ve yakıt maliyetleri eksikliği için rekabetçi olmakla karşılaştırılabilir.

Çevre, Güvenlik ve Düzenlemeler

SBSP altyapısının dağıtımı, düzenleme ve standartlar yoluyla ele alınması gereken önemli çevresel ve güvenlik soruları gündeme getirmektedir.

İlk güvenlik endişesi, mikrodalga sistemleri için, retenna sitesindeki güç yoğunluğu uluslararası maruz kalma sınırları altında olmak için tasarlanmıştır, ancak kirişin retenna sınırı içinde bulunmalıdır.Geçmiş sistemlerde kirişin düşmesine neden olabilir, hasara neden olabilir. Red dışı güvenlik sistemleri - uydu temelli sabit sensörler, zemin tabanlı bir radarı ile kirişin radarı ve mevcut tasarımlarda standart.

Çevre etkileri, sistemin yaşam boyu çöktüğünde arazi kullanımını, radyo astronomisi ve iletişim uyduları ile potansiyel müdahaleyi ve altyapıyı başlatmakla ilişkili enerji ve emisyonlar içerir. Life-cycles, SBSP'nin sistem ömrü boyunca karşılaştırılabilir bir karbon ayak izi olduğunu önerir, ancak uzay-grad güneş hücrelerinin ve elektroniklerin üretimi daha enerji yoğundur.

Düzenleme çerçeveleri hala çok daha çok karşıt. Uluslararası Telekomünikasyon Birliği (ITU) ABD Federal İletişim Komisyonu ve Federal Havacılık Yönetimi gibi, mevcut kullanıcılar için korumalar ile ilgili tüm mahveçlere ihtiyaç duyacaktır. Bugün koordineli bir uluslararası çerçevenin olmaması, yatırım ve dağıtım için bir engel teşkil edebilir.

Sonuç: İnşa Edilmesi Gereken Altyapı

Uzay tabanlı güneş enerjisi için güç dağıtım altyapısının geleceği tek bir teknoloji veya tek bir proje değildir - telekomünikasyon, savunma ve topraklar gibi diğer sektörlerden talep edilen bir sistemdir.The future of power distribution systems for space-high-sensitive power elektronik, modüler fazd arrays, independent assembly robotları, gelişmiş termal yönetim ve akıllı ağ entegrasyonu - tüm ilerlemeler, güvenilir bir şekilde, ve yerel alternatifler gibi diğer sektörlerden talep ederek.The task for the SBSP community is to integrate this components into a coherent architecture that can alive, and smart network in the same technologies, and securely on the other technologies as the land functionality.

Son on yılda ilerleme gerçek oldu. Multinational programs, from the ESA's SOLARIS inisiyatif to China's planlı uzay gücü test yatakları, konferanslara yönelik kağıt çalışmalarından hareket ediyorlar. Özel şirketler, starts odaklanmış kablosuz güç aktarımı ve in-orbit assembly, bu makalede açıklanan altyapı sorunları sona ermiş, ancak sigortalı olmayan yatırım, çapraz-sector işbirliğine ve yeni teknolojiler ortaya çıkmaktadır.

Uzay tabanlı güneş enerjisi bir gecede olmayacak ve bugün inşa ettiğimiz altyapı - laboratuvarlarda, standartlarda ve prototip donanımda - 21. yüzyılın ikinci yarısında enerji dağıtım sistemi için temel. Temiz, bol, her zaman yanlı bir enerji piyasasının yeniden şekillendirme potansiyeline sahip olacak ve karasal şebeke altyapıyı yoksun olan bölgelere enerji erişimi sağlayacaktır.