Программа исследовательских исследований и технологий в области космической солнечной энергии

Программа космической солнечной энергии исследований и технологий (SERT), проводимая НАСА , была инициирована Джоном К. Мэнкинсом и возглавлена Джо Хауэллом в марте 1999 года со следующей целью:

Проведение проектных исследований выбранных концепций летной демонстрации;
Оценить исследования общей осуществимости, конструкции и требований.
Создавайте концептуальные проекты подсистем, которые используют передовые технологии SSP для будущих космических или наземных приложений.
Сформулируйте предварительный план действий США (работая с международными партнерами) по осуществлению агрессивной технологической инициативы.
Разработать дорожные карты разработки технологий и демонстрации критически важных элементов космической солнечной энергии (SSP). Целью проекта была разработка концепции спутника солнечной энергии (SPS) для будущих гигаваттных космических энергетических систем, обеспечивающих электроэнергию путем преобразования энергии Солнца и передачи ее на поверхность Земли. Это также должно было обеспечить путь разработки решений для нынешних архитектур космической энергетики. В результате исследований была предложена надувная фотоэлектрическая паутинка с линзами-концентраторами или солнечными динамическими двигателями для преобразования солнечного потока в электричество. Первоначальная программа рассматривала системы на солнечно-синхронной орбите , но к концу программы большая часть анализа была сосредоточена на геосинхронных системах , требующих невообразимо больших первоначальных инвестиций в фиксированную инфраструктуру, прежде чем можно будет начать установку эффективных электростанций.
Космические солнечные энергетические системы, по-видимому, обладают многими значительными экологическими преимуществами по сравнению с альтернативными подходами.
Экономическая жизнеспособность космических солнечных энергетических систем зависит от многих факторов и успешного развития различных новых технологий (не последним из которых является наличие исключительно дешевого доступа к космосу), однако то же самое можно сказать и о многих других вариантах передовых энергетических технологий. .
Космическая солнечная энергия вполне может стать серьезным кандидатом среди вариантов удовлетворения энергетических потребностей 21 века.

Программа

Были определены категории модельных систем (MSC), которые варьировались от относительно небольших демонстраций до очень крупномасштабных действующих систем СФС. В широком смысле каждый MSC представлял собой представление о том, какой масштаб, технологии, миссии и т. д. могут быть достижимы в конкретный период времени в будущем. В плане инвестиций в технологии используется поэтапная методология разработки оборудования и систем, начиная с 600 В, затем 10 000 В и заканчивая 100 000 В, чтобы распределить затраты на разработку и тестирование инфраструктуры в течение всего срока действия программы, а не нести их с самого начала. Технология 600 В нашла немедленное применение в Программе перспективных космических перевозок НАСА (ASTP). ^{[ нужна ссылка ]}

2005: ~100 кВт, Free-flyer, демонстрационное коммерческое помещение.
2010: Планетарная наземная система ~ 100 кВт, демонстрационная версия, исследование космоса.
2015: ~10 МВт Free-Flyer, Транспорт; Большой демонстрационный клипер на солнечной энергии
2020: Free-flyer мощностью 1 ГВт, полномасштабное коммерческое пространство спутника солнечной энергии ^{[ нужна ссылка ]}

Производство солнечной энергии

Современные солнечные элементы считались слишком тяжелыми, дорогими и сложными в установке. Гибкие тонкопленочные элементы обещали один из жизнеспособных вариантов будущего для обеспечения низкой массы, низкой стоимости и высоких производственных возможностей за счет нанесения специальных материалов в очень тонкие (микрометры) слои. Гибкость способствует нанесению на легкие надувные конструкции, необходимые для упаковки больших массивов в ракетах-носителях. Рассматриваемые материалы ( каптон ) не обладали высокотемпературными свойствами, необходимыми для осаждения клеток для выращивания, поэтому была продолжена разработка процесса низкотемпературного выращивания тонкопленочных солнечных элементов . В 2000 году за производством прототипа элементов малой площади с эффективностью 5% последовал прототип на каптоне с эффективностью 10%. ^{[ нужна ссылка ]}

Фотоэлектрические системы с очень высокой эффективностью

Было проведено два исследования на большие расстояния в области высокоэффективных солнечных элементов. 1) «Радужные» ячейки должны быть адаптированы к длинам волн определенных диапазонов солнечного света, сфокусированного через призму . 2) Ансамбль квантовых точек такого размера, который улавливает большую часть излучения солнечного энергетического спектра . Коллекция будет эквивалентна массиву полупроводников, размер которых индивидуально настроен для оптимального поглощения в запрещенной зоне во всем спектре излучения солнечной энергии. Теоретический КПД находился в диапазоне 50–70%. ^{[ нужна ссылка ]}

Подавление дуги высокого напряжения

Массивы для платформы SSP должны будут работать при напряжении 1000 В или выше, по сравнению с фотоэлектрическими массивами нынешней Международной космической станции с напряжением 160 В. Продолжалась разработка технологий проектирования и производства для предотвращения саморазрушающейся дуги напряжением 1000 В. Были оценены несколько методов уменьшения дуги. Были приобретены и испытаны образцы, в которых использовались наиболее многообещающие методы, для получения бездуговой «радовой» жесткой матрицы высокого напряжения (более 300 В). Первоначальная разработка проводилась при напряжении 300 В для использования существующих мощностей и оборудования. ^{[ нужна ссылка ]}

Солнечная динамика

Энергетические системы Solar Dynamic (SD) концентрируют солнечный свет в приемнике, где энергия передается тепловому двигателю для преобразования в электроэнергию. Тепловые двигатели Брайтона используют турбину , компрессор и роторный генератор переменного тока для производства энергии с использованием в виде инертного газа рабочего тела . Такая система была разработана для использования на SSP. ^{[ нужна ссылка ]}

Были изучены стоимость, масса и технический риск различных вариантов производства солнечной энергии (SPG) для солнечной динамической системы. Для системы SD мощностью 10 МВт на высоких уровнях мощности было показано, что эта технология конкурентоспособна с проектируемыми фотоэлектрическими системами. Были проведены испытания для определения характеристик преломляющих материалов высокотемпературных вторичных концентраторов в среде SD. Разработан прототип рефракционного вторичного концентратора с соотношением концентраций 10:1. В сочетании с первичным концентратором 1000:1 это приведет к очень высокому соотношению 10 000:1, что обеспечивает разумную точность наведения 0,1°. Производительность сапфирового концентратора оценивалась с помощью испытания на солнечном калориметре . ^{[ нужна ссылка ]}

Управление и распределение электроэнергии

Управление и распределение мощности (PMAD) охватывает всю энергосистему между источником или генератором энергии и нагрузкой, которой в данном случае является передатчик . Проводились исследования с целью определить разумные технологии такого размера и масштаба. Все переключатели, проводники и преобразователи были огромными по сравнению с нынешними космическими кораблями. Такие вопросы, как использование переменного тока в сравнении с постоянного тока распределением мощности , схемы заземления, стандартные проводники тока в сравнении с высоко- и/или низкотемпературными сверхпроводниками , уровень напряжения системы в сравнении со стратегиями уменьшения искрения в окружающей среде, типы силовых преобразователей и устройств защиты системы, а также высокие температурному излучению устойчивые к элементы схемы, . Результаты должны были быть опубликованы Рабочей группой по системному анализу и технологиям (SATWG) по завершении SERT в 98–99 финансовых годах. Между тем, технологии отбирались там, где это возможно, для использования других правительственных расследований в области технологий. ^{[ нужна ссылка ]}

Сверхпроводники

Были продолжены контрактные исследования по внедрению сверхпроводников на ССП. Первоначальные исследования показали, что напряжение передачи можно снизить до менее 300 Вольт, что смягчит воздействие дуги. Сверхпроводниковые сложности включали криогенные системы охлаждения с броней для защиты от воздействия микрометеороидов и специализированные разъемы на интерфейсах сегментов, переключателей и преобразователей мощности. Было показано, что огромная сила магнитного отталкивания (порядка 3,5 МТ/метр в радиальном направлении при силе тока 1 Мегамп) может быть использована для развертывания и создания чрезвычайно жесткой конструкции. ^{[ нужна ссылка ]}

Силовая электроника из карбида кремния

Продолжали разрабатываться технологии карбида кремния, ведущие к созданию силовых устройств. В ходе этой работы была использована ранее финансируемая работа по разработке бездефектных и толстых эпитаксиальных подложек SiC. Хотя в настоящее время подложки могут производиться с приемлемо небольшим количеством дефектов микротрубок, следующей целью было уменьшить количество других дефектов, которые могут нанести ущерб работе силовых устройств. Цель заключалась в том, чтобы продемонстрировать работу высоковольтных SiC- диодов , MOSFET и JFET при высоких температурах в преобразователе мощности постоянного тока и разработать модели для прогнозирования влияния дефектов на производительность устройства. ^{[ нужна ссылка ]}

Вехи/продукты 1999: Демонстрация SiC- тиристора мощностью 2 кВт , работающего при 300 °C; макетный переключатель на 300 В и переключатель на 600 В; завершены динамические характеристики тиристоров SiC. 2000: Завершено исследование топологии преобразователя в сравнении с устройством с использованием макетного прототипа преобразователя; Протестирован твердотельный предохранитель 600 В/100 А. ^{[ нужна ссылка ]}

Ионные двигатели

Ионные двигатели — это технология, позволяющая осуществить переход SSP с низкой околоземной орбиты (LEO) на геостационарную орбиту (GEO) и удержание станции. Исследования показали, что усовершенствованная электрическая двигательная установка может обеспечить увеличение полезной нагрузки при переходе с Земли на орбиту в 5 раз по сравнению с хранимыми двухвинтовыми и криогенными двухвинтовыми двигателями ; полезной нагрузки масса , которая обычно проявляется для топлива . Сравнение с решетчатыми ионными двигателями, магнитоплазмодинамическими и импульсными индуктивными двигателями показало, что технология двигателей Холла обеспечивает в целом большие преимущества, включая более быстрое время полета, хорошую удельную мощность, хорошую современную технологическую базу и хорошую историю полетов, что приводит к признанию коммерческой промышленностью. Такие достижения, как прямой привод от солнечных батарей и одно- и/или двухступенчатая работа, позволят доставлять на НОО с момента запуска полезную нагрузку от 13 до 15 метрических тонн на каждые 20 метрических тонн, а не только 2 метрических тонны с использованием химического двигателя. Время в пути от LEO до GEO также разумно и составляет от 120 до 230 дней в зависимости от заданного значения производительности. Предлагаемая система двигателей Холла состояла из четырех двигателей мощностью по 50 кВт. Криптоновые двигатели Холла с прямым приводом от солнечной батареи мощностью 200 кВт. Двигательная установка будет включена в каждый сегмент SSP. Требуемая производительность двигателей Холла составляет от 2000 до 3500 с ISP при общем КПД системы от 52% до 57%. Из-за массы топлива, необходимой для вывода всей системы на геостационарную орбиту, помимо ксенона (обычно используемого) были предложены топлива, такие как смеси криптона и благородных газов. В конечном итоге необходимо будет провести дополнительную работу по альтернативным видам топлива. ^{[ нужна ссылка ]}

В 2000 году: проведены испытания двигателя Холла большой мощности. Были проведены оценки отечественного макетного двигателя 1-го поколения мощностью 50 кВт на испытательном стенде мощного двигателя GRC в Холле и разработка сильноточного катода. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

Разработка спутниковой технологии космической солнечной энергии в Исследовательском центре Гленна — обзор Джеймс Э. Дуденхофер и Патрик Дж. Джордж, Исследовательский центр Гленна НАСА, Кливленд, Огайо
Новое изобретение спутника солнечной энергии» , НАСА, 2004-212743, Джеффри А. Лэндис , Исследовательский центр Гленна НАСА.
Дж. Хауэлл и Дж. К. Мэнкинс, «Предварительные результаты программы НАСА по исследованию и технологиям космической солнечной энергии», 51-й Международный астронавтический конгресс, Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2000 г.
Х. Фейнгольд и К. Кэррингтон, «Оценка и сравнение концепций космической солнечной энергии», 53-й Конгресс Международной астронавтической федерации. Акта Астронавтика. Том. 53, 4–10, август – ноябрь 2003 г., стр. 547–559. два : 10.1016/С0094-5765(03)80016-4

Внешние ссылки

Обзор солнечной динамической энергии (SDP) от Исследовательского центра Гленна НАСА
Де Ла Гарса, Алехандро (1 июня 2023 г.). «Ученые только что стали на шаг ближе к научно-фантастической реальности строительства солнечных электростанций в космосе» . Время . Архивировано из оригинала 5 июня 2023 года . Проверено 5 июня 2023 г.