太阳能发电系统的概述

图9.4显示了太阳能发电系统的一般特征。对权力的月球基地相反的四肢将可靠太阳能发电微波。地球呆在同一地区的天空从月球上给定的权力基础。因此,在一个太阴月,双基地向收集器可以连续梁,称为微波,在地球上(右下角的图9.2所示)。依只是专门类型的只有几厘米大小的电视天线和电子整流器。他们将微波束转化成电能污染——和输出自由的权力当地电力分配系统和区域电网。微波是太阳能发电系统的主要成本因素。图9.4大大夸大了微波描述的大小的圆在巴西。图9.4所示的太阳能发电系统可能包括三到五小时的能量储存在月球或地球上。太阳能发电系统预计将提供更廉价和更可靠的力量比地球上的太阳能装置。

太阳能发电系统(Ref)是一个更高级的参考系统,包括太阳能镜子在轨道上关于月球(LO)。罗镜不是如图9.4所示。太阳能发电系统(Ref)还包括微波“轨道转向器或反射器”卫星在中等海拔,高倾角轨道对地球(EO)如图9.4所示。EO继电器将重定向LSP梁rec-tennas地球上不能直接查看权力基础。微波可以减少面积相比,在上面的段落中描述的太阳能发电系统。太阳能发电系统(Ref)将很可能包括组太阳能光电板从每个权力基础在月球的肢体(X-limb)。这些X-limb站不是如图9.4所示。

太阳能发电的电力能力一直预测的关键物理和工程参数和技术水平。详情参考表4的克里斯,克里斯和沃尔德伦(1994)和讨论

基础1

基础1

阳光lllllllllll

的来源

权力

微波

微波

许多小依之一

图9.4的示意图月球太阳能电力系统。

轨道转向器或反射器

许多小依之一

图9.4月球太阳能发电系统的示意图。

(1993)。利用1980年代技术,太阳能发电系统可以通过占领TWe输出20 ~ 25%的月球表面。技术可能可用相对较早在21世纪使太阳能发电系统输出20 TWe占领只有0.16%的月球表面。能量从LSP预计将从所有其他更昂贵的比能量水平类似的大规模电力系统功率和总能量输出。电动能源成本小于1 0 / kWe-h预计成熟系统(克里斯和沃尔德伦,1990)和降低成本是可以想象的。太阳能发电与转向器在地球轨道可以提供load-following权力依位于地球上的任何地方。

操作系统的技术基础

太阳能发电系统是一种非传统的方法来提供商业力量在地球上。然而,太阳能发电的关键操作技术已经被证明是由NASA和其他高技术准备水平(TRL > 7)。实验室= 7表示技术演示了在一个适当的规模在适当的环境中(克里斯,2000)。

权力束被认为是神秘和遥远的未来的技术。然而,Earth-to-Moon权力束near-commercial强度是一个操作的现实。图9.5是月球南极的照片,被在波多黎各阿雷西博雷达。这种技术被用于映射月球,月球表面电性质的确定,甚至检查存款的极地冰(玛戈特et al ., 1999)。阿雷西博光束穿过上层大气的强度的顺序20 - 25 W / m2。太阳能发电系统是为了提供动力梁在地球只有不到20%的正午阳光的强度(< 230 W / m2)。低强度梁是经济合理的。微波散射强度的光束将数量级低于允许连续曝光的普通人群。

Load-following电力,没有昂贵的存储,是非常可取的。地球轨道卫星可以重定向束微波不能查看月球,从而使load-following功率微波位于地球上的任何地方。微波在地球和月球大小发射器可以允许使用地球轨道转向器直径200米至1000米。重定向卫星可以反射器或中继发射机。技术比实现更成熟的技术社区。

图9.6是一个艺术家的概念Thuraya-1地区移动通信卫星(由Thuraya卫星通信有限公司的阿拉伯联合酋长国放置在轨道上2000年10月(权限:波音公司卫星系统,Inc .)]。圆形反射器天线直径12.25米。c . Couvault(1997)报道,美国国家侦察办公室已经部署到地球同步轨道类似,但更大,“小号”卫星。角声反射器是直径约100米。喇叭反射器,只有几吨的质量,有一个直径三倍之内,需要低功耗梁重定向到一个直径1公里或更大地球上微波。梁和转向器卫星可以最小化需要长途输电线路,相关系统和电力存储。

或者,中继卫星可以接收从月球权力束。中继卫星然后重新传输新的光束几个地球上微波。无人和载人航天器了光束的传播,提供商业级强度在低地球轨道。图9.7展示了美国国家航空航天局航天飞机相控阵雷达。雷达让航天飞机的货舱,制作一个合成孔径雷达地球的照片。附近的

图9.6 NRO小号卫星的概念。

航天飞机,光束的强度150 W / m2的顺序。这是商业传播的权力范围之内(卡罗,1996)。

大约一年一次地球将eclipse月球权力基础长达三个小时。这个可预见的故障可以通过定义的能量储存能力或地球上的备用发电机。另外,一个舰队

图9.7航天飞机合成孔径雷达。

太阳能反射镜在轨道上关于月球可以反映太阳能选择基地在日食和日出日落。这些太阳能反射镜,实际上类型的太阳帆,会更贵,单位面积、建设和运营等高精度反射图9.6。

9.3.2太阳能发电示范基地

月球太阳能发电系统的一部分权力基础原型如图9.8所示。权力基础是完全分割,多波束相控阵雷达采用太阳能。这个演示的权力基础由成千成千上万的独立权力阴谋。示威权力阴谋被描述在中间右下部分的图。一个成熟的发出多个sub-beams权力阴谋。

权力阴谋由四个元素组成。有太阳能转换器阵列,如图所示南北行光电保持一致。收集的太阳能电力埋的电线和网络传送到微波发射器。权力阴谋可以利用许多不同类型的太阳能转换器和许多不同类型的electric-to-microwave转换器。在本例中,微波发射机的堆埋在月球土壤向地球的一端的阴谋。每个发射机照亮了微波反射器位于anti-earthward结束其权力阴谋。反射重叠时,从地球上看,形成了镜头,可以直接非常狭窄的和良好定义的光束朝向地球。地球上空停留的权力基础。

非常大的微波透镜,月球上的圆圈在图9.2中,需要在月球上直接窄光束接收器(> 0.5公里直径)。大眼镜是实用的,因为偶然的自然条件的月亮。同样的月亮总是面临着地球的面貌。因此,图9.8所示的许多小反射镜可以安排在一个区域在月球的肢体,当从地球上看,他们似乎形成一个大光圈。月球上没有大气,机械稳定。几乎没有月亮的地震。因此,合理构建大镜头从许多小单位。

单独控制sub-beams照亮每一个小的反射器。sub-beams相关结合前后一致地在向地球,形成一个权力束。在成熟的权力基础可以几百到几千套相关微波发射器。这些安排多个反射镜,可能包括额外的副反射器或镜头前的每一个主要的反射器,发射器形式完全分割的多波束相控阵雷达。

9.3.3 LSP建立月球材料在月球上

实现低单位成本的能源,月球太阳能发电系统的部分主要是由lunar-derived组件(克里斯、1996、1995;克里斯威尔

沃尔德伦,1993)。工厂、固定和移动、运输从地球到月亮。月球太阳能发电组件的高输出的影响大大减少了高运输成本的工厂从地球到月亮。在月球上工厂生产数百数千次自己的大规模太阳能发电组件。建设和运营的微波构成地球上超过90%的工程成本。利用月球材料重要的分数的机器生产和支持设施在月球上可以减少前期成本(克里斯,1995)。人员在虚拟工作场所可以控制地球上的大多数方面制造和操作在月球上(沃尔德伦和克里斯,1995)。

太阳能发电示范的权力基础,扩展提供TWe 0.01到0.1的顺序,在十年成本只有200亿美元(克里斯和沃尔德伦1993;格拉泽et al ., 1998年,Ch。4.11)。这个假设在月球上建立永久基地由一个或多个国家的政府致力于工业利用月球资源的生产和物流。这样一个基地是世界上太空计划的下一个合乎逻辑的步骤完成后,国际空间站。

LSP是实用与1980年代技术和整体效率较低的阳光转换成输出功率-0.15%的地球上。较高的系统效率> 35%,到2020年是可能的。太阳能发电系统总体效率会占据35%,只有0.16%的月球表面和供应20 TWe地球。同时,大幅提高生产效率降低生产过程的规模和前期成本。

没有“神奇”的资源或技术如图9.8所示。任何的月球尘埃和岩石含有至少20%硅,40%的氧气,和10%的金属(铁、铝等)。月球尘埃可以直接使用热,电,和辐射盾牌,转化为玻璃、玻璃纤维、陶瓷、加工化学元素。太阳能电池,电线,一些micro-circuitry组件,可以由月球反射屏幕材料。土壤处理和玻璃生产是主要的工业操作。选择micro-circuitry从地球可以提供。

与地球不同的是,月球是大面积太阳能转换器的理想环境。月球表面的太阳能通量是可预测的和可靠的。没有空气或水降低大面积,薄膜设备。月亮是极其安静的机械。是天气,没有重大的地震活动,和生物过程,降低地面设备。太阳能收集器可以由几十年的影响暴露于太阳宇宙射线和太阳风。敏感的电路和布线可以埋在几到几十厘米的月球土壤和完全防止太阳能辐射、温度极端,陨石。

美国赞助了500百万美元月球和地球物理数据样本的研究自1969年首次登月。这些知识是绰绰有余,开始设计和展示地球上月球的关键组件和生产流程。月球探索仍在继续。国防部克莱门蒂号探针和月球探勘者号(lunar.arc.nasa.gov;科学,266:1835 - 1861年12月16日;粘结剂,1998)延长整个月球的阿波罗调查。

9.4太阳能发电系统与其他电力系统选项TWe 20岁

表9.7总结了主要选项提供的材料和制造规模600到960 TWe-y电力(克里斯和沃尔德伦,1990)。第二列表示将使用的燃料,而在七十年时期的传统系统行1、2和3。第三列显示机器的规模生产和维护发电厂并提供燃料。最右边的列显示的总吨数设备需要产生一个TWe-y权力(密度)。密度越高,需要更多的努力来建立和维护系统和环境改造的机会就越大地球的生物圈。注意,太阳能发电单位在月球上约600 000次的大规模高效的生产能力比了一座水电站的喜庆和3000倍质量的效率比煤系统。估计微波,# 4行,假设1970年代技术支持的小金属偶极大型铝飞机和混凝土站。依现在可以被纳入集成电路在塑料或可以使用低质量集中传入的微波反射镜。特定的微波能的质量可能会降低一个数量级(沃尔德伦和克里斯,1998)

太阳能发电没有SSPS的机械直率。实现成本最低的能源太阳能发电系统需要微波对地球轨道转向器。相比一个SSPS梁转向器的具体质量可以很低的权力依项目。这是因为LSP轨道转向器能够实现电源或反射微波的效率远远高于可以将阳光转化为微波的ssp。此外,LSP微波反射镜可以在面积较小的比一个传输SSPS同等水平的能力。这是因为LSP轨道单元可以被微波束在空间更强烈太阳能强度。太阳能发电需要的最小数量的地面设备和最终材料的电力系统,可以看到从第7行表9.7。

工程师不会建大型水电站在地球上如果有必要挖掘集水区和河谷。的

表9.7陆地燃料和设备吨位和20 TWe电力系统能量输出

	燃料(70 y)	装备。&工厂	总能量	具体的质量
地面系统	(T)	(T)	(TWe-y)	(T / TWe-y)
1。水电和TSP(没有存储)	9 X1016	8 X 1010	900年	9 X108
2。核裂变(非增殖)	6 X107	2 x1010	600年	3 X107
3所示。燃煤电厂、矿山、和火车	3 X1012	6 X 109	600年	1 x107
4所示。微波基座(SPS和LSP)	- - - - - -	4 x109	- - - - - -	4 x106
(电子元件)	- - - - - -	2 x107	- - - - - -	2 x104
空间系统	第一年装备。	总装备。	总能量	具体的质量
(质量从地球运输)	(T)	(T)	(TWe-y)	(T / TWe-y)
5。SSPS使地球上(@10 T /兆瓦)	2 x106	3 X108	600年	5 X105
6。物流服务商从月球材料	2 x107	5 X107	600年	8 X104
7所示。太阳能发电(Ref)	3 X104	3 X106	960年	3 X103

水和地理是大自然的礼物,减少地球的数量必须移动,使最小的水坝。月球提供了固态相当于一个“自然流域”的21世纪。那里,正确定位,由所需的材料,和缺乏的地球环境损害薄膜固态设备。

一般Dynamics-Convair模型建设的空间太阳能卫星月球材料(参考9.2节和图9.3)是适应建模月球太阳能发电系统的建设(克里斯和沃尔德伦,1990)。月亮的使用消除了需要建立非常大的平台空间。太阳能发电组件可以直接从月球制造材料,然后立即放在网站上。这就消除了大部分的包装、运输和重新组装的组件从地球或月球的太空深处。没有必要为一个大型制造工厂外太空。这更加专注工业过程减少了火箭的舰队需要运输组件,生产设施,人们从地球到太空和月球,相比一般Dynamics-Convair模型。如果这个物流服务商和LSP使用类似的技术部署、制造业、和操作在太空和月球上,可以安装在太阳能发电装机容量-50倍的速度物流服务商为类似水平的支出在相似的时期。更高的太阳能发电系统侵位利率可以想象未来的操作技术,更高水平的自动化生产过程,使用月球材料来构建更大规模生产机械的元素(克里斯和沃尔德伦1990;克里斯威尔,1998 c)。LSP的高生产效率和低成本支持这个断言LSP系统是唯一可能意味着提供廉价电力的TWe 20到2050年地球(表9.6,行23)。

图9.9显示了在月球上输电容量的增长(动力单元)。移动台的安装单位,在图9.8中,最初是运送到月球和生产和安放的权力阴谋称为动力单元如图9.8所示。经验是获得,越来越分数的安装单位可以在月球上由生产单位,主要利用月球资源。制造单位可能会包含在模块部署等地球中左的图9.8。动力装置生产可以增加不显著增加的运输材料从地球(克里斯,1998 c)。发电机组的寿命长和增加生产使太阳能发电输电能力的“指数”的增长和类似的增长的净新能源在地球上。开发制造单位和大量使用月球材料被认为是一个合理的目标(Bekey et al ., 2000)。

图9.9指数增长从月球太阳能发电系统的输出功率。

6二世

输出功率水平(#)

图9.9指数增长从月球太阳能发电系统的输出功率。

表9.8比较估计“中位数”的生命周期成本五大电力系统扩展提供1500 TWe-y的能量。成本给出了数万亿美元(1 T = 1 X1012)。的估计是基于研究系统利用1990年代水平的技术(克里斯,1997,1997,1997 b;克里斯和汤普森,1996)。主要类别是资本成本、劳动力、燃料、和废物处理和缓解。名义成本劳动力、资本、和燃料从1980年代研究先进的煤炭和核能发电厂(克里斯汤普森,1996)。

煤炭和裂变核电站的成本表9.8是一致的估计成本的“混合”电力系统所描述的情况下A2 Nakicenovic et al。(1998)第二节和总结在表9.1中。百分之三十的煤炭的成本和裂变系统是区域配电系统。Nakicenovic et al。(1998)项目的资本成本120元新台币的混合系统在2100年消耗了3000 TWt-y能源。这对应于-140台币4500 TWt-y。表9.8假设所有的热能是共同的

表9.8名义成本(台币)电力系统提供1500 TWe-y

	煤炭	裂变	TTSP	TPSP	太阳能发电(ref)	太阳能发电(X-limb)	太阳能发电(EO)
劳动	2 o	6 o	113年	233年	2	3	7
资本	57岁的阿	713年	134度	2166年	63年	1 o5	286年
燃料	243年	O	O	O	O	O	O
废物	914年	3小时左右	O	O	O	O	O
总	1746年	3773年	1452年	2399年	64年	1 o8	TTSP——地面热太阳能。 茶匙——地面太阳能光伏发电。 太阳能发电(Ref)——月球太阳能发电系统与轨道梁转向器地球对月球和太阳反射镜在轨道上。 太阳能发电(X-limb) -太阳能发电系统和光伏领域在月球肢体从每个权力基础,没有太阳能反射镜在轨道上月球,地球上三个小时的电容量。 太阳能发电(EO)——类似于太阳能发电(X-limb)但没有转向器至少在轨道对地球和地球上18个小时的电力存储容量。 注: TTSP——地面热太阳能。 茶匙——地面太阳能光伏发电。 太阳能发电(Ref)——月球太阳能发电系统与轨道梁转向器地球对月球和太阳反射镜在轨道上。 太阳能发电(X-limb) -太阳能发电系统和光伏领域在月球肢体从每个权力基础,没有太阳能反射镜在轨道上月球,地球上三个小时的电容量。 太阳能发电(EO)——类似于太阳能发电(X-limb)但没有转向器至少在轨道对地球和地球上18个小时的电力存储容量。 有些电力能源。第一个近似,这双打资本设备的成本为4500 TWt-y 380台币。表9.8估计资本成本的~ 570台币(化石)或713台币(裂变)认为1980年代水平的技术和技术进步在21世纪。A2承担更高的成本bet雷竞技 ,比~ ~ 830 T, 243 T假定美元名义在表9.8。 外部性成本,相应的成本浪费在表9.8中,-913台币煤相媲美的-800新台币,以防A2外部性成本被认为是与化石燃料的价格成正比。煤炭和裂变核电站的成本主要由“废物”处理,包括估计的对人类健康和环境的破坏整个燃料过程(矿业燃烧处理)。 表9.8中的成本估算假设TTSP(热)和TPSP(光伏)系统扩展存储能量只有1天的地方操作。这些系统必须大幅扩大供电电线的全球网络。分析由Klimke(1997)表明,交付1500 TWe-y将花费10000台币。能量储存不包括在全球体系的估计成本。 太阳能发电系统(Ref)是最低的成本。它使用反射镜在轨道上的月亮照亮月球的权力基础在日食的地球。它还使用重定向器在轨道对地球提供地球上任何微波load-following权力。太阳能发电(Ref)提供1500 TWe-y 1/27th燃煤系统的成本。 太阳能发电系统(X-limb)、列表格9.8 # 7,不使用太阳能反射镜对月球轨道。相反,每个权力基础提供了一个在月球的肢体光电领域。电线连接的权力基础和额外的光电。储能是地球上提供3 TWe-h,和权力基地和微波略有扩大。这个太阳能发电(EO)是LSP (X-limb)没有转向器对地球在轨道上。大约18 TWe-h电力存储是地球上提供。Deep-pumped水电。的权力基础和微波扩大太阳能发电(X-limb)情况。甚至太阳能发电(EO)提供1500 TWe-y更少的成本比传统能源煤或裂变。太阳能发电系统可以提供节省1000万亿美元的顺序交付1500 TWe-y超过煤炭和9000万亿美元的储蓄的顺序对全球太阳能光伏发电。 克里斯和汤普森(1996)分析了变化的影响10倍在“浪费”处理成本和劳动成本的变化合理,资金,和燃料煤,先进核裂变,地面太阳热能和光伏和太阳能发电(Ref)系统。此原型分析发现的太阳能发电系统(Ref) 10到16倍在交付最终用户电力便宜比最接近的竞争对手,煤。 新型的混合系统可能支持大幅削减成本。浆果(1998:目标场景)提出了一种电力系统向美国提供TWe -1.3。大约有45%是由最终用户直接使用。绝大多数(55%)是交通工具用来制造氢。主电源是风TWe(0.85),太阳能热TWe(0.85)、水力发电和核TWe(0.15)和分布式光伏发电。能源存储氢用于负载均衡和峰值。看到Bockris早期(1980年),但广泛的讨论氢经济和它的技术。 目标场景的小说方面是存储氢燃料箱的汽车,货车、卡车、建筑电力供应,和类似的超级用户(Appleby, 1999;劳埃德,1999)。车辆被认为是连接到国家电网不使用的时候。因此,资本与运输舰队和最终用途生产还用于提供“预付”能源存储设施。假设非常低成本的先进技术,模拟项目-0.4新台币/ TWe-y交付最终用途和运输能源的成本。一千TWe-y将花费-400台币。这是-50倍比独立节省全球光伏发电和配电系统。给出合理的可逆的燃料电池的成本,主要关心变得准确最长的知识不适合天气(多云或烟雾缭绕的天空,低风,等等)在一个地区或全球。然而,鉴于生物圈的复杂性,这“最长”时间本质上是不可知的。太阳能发电系统提供了一个电源,与生物圈脱钩,可以根据需要提供电源通过所有条件的雾,云,雨,灰尘和烟雾。 浆果的混合系统,或目标场景,比最便宜的~ 20倍昂贵的选项的月球太阳能发电系统。太阳能发电系统,其他系统,也可以使用目标的车辆和其他能源存储单元场景来降低成本。 总成本的电力energy-prosperous世界是如此巨大,很难理解他们的规模和意义。一种方法是计算简单的全球生产总值(gdp)的总和(GWP)从2000年到2100年在人口假设在表9.1。十年后,1970年代的石油中断GWP /人~ 4000美元/某人y。假设21世纪能源约束和一个常数GWP /人。这个金额3900元新台币。预计“穷”世界根本就无法建造和运营地面太阳能系统需要提供2 kWe /人在2100年到2050年或1500年TWe-y。世界经济将会极其困难提供能源的煤炭和裂变在表9.2 - -9.6。 情况下,Nakicenovic et al。(1998: p。6),项目一个全球经济到2100年,金额-12000元新台币。人均收入在2000年和-30000年~ 4300美元/某人y /某人y在2100美元。情况下不承担任何重大“浪费”成本大规模使用化石和核能。他们的项目案例C(主要是-8800台币可再生能源2000年和2100年之间)。注意,大约有10%的GWP现在花费在商品能源的生产和消费。这对应于2000年和2100年之间的240到540万亿美元。这些资金的成本远小于传统电力系统提供足够的电力。但它们比预计的太阳能发电系统。一个贫穷的世界必须保持能源贫困,如果只使用传统的电力系统。然而,低成本的太阳能发电系统电力可以省钱,减少甚至消除污染与能源生产,并加速财富的一代。 为什么太阳能发电大规模电力系统作为一个如此有吸引力呢?太阳是一个完全可靠的聚变反应堆提供自由和无灰的优质能源在高浓度在太阳系内部,我们生活的地方。太阳能发电主要处理这个免费的太阳能以光子的形式。光子没有重量,以光速旅行。因此,被动和低质量设备(超薄薄膜,二极管,反光镜和微波)可以收集和通道巨大的能量流在很远的地方,没有物理连接,使用时需要的能量。太阳能发电是一个分布式系统,可以连续操作而被修理和演变。所有其他电力系统需要大量的组件包含在紧张条件下和处理问题,或需要大量的设施来储存能量。低质量和被动的设备在太空和月球上不会那么贵单位提供能源,维护,解除,循环结束时,其使用寿命比大规模的和可能被污染的地球上的组件。 月亮是唯一合适的和可用的自然作为发电厂的平台。它有正确的材料、环境、机械稳定性和取向和冷漠对地球。太阳能发电的主要non-terrestrial组件可以由月球材料和大数组可以落在月球上。 微波在地球上很简单,可以根据需要构建并开始生产净营收规模小。太阳能发电可以更少侵入,在物理和电磁意义上,比其他任何大型电力系统。大多数的力量可以交付需要的地方。太阳能发电可以自己的净增长和建立新的空间和地球产业。最后,所有这些就都可以实现与已知技术的一段时间内地球的人们需要一个新的,清洁可靠的能源,将产生新的净财富。

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