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Um painel solar colhe apenas uma pequena parte de seu potencial devido à noite, clima e estações do ano, ao mesmo tempo a introdução de intermitência de modo que o armazenamento em larga escala é necessário para tornar o trabalho de energia solar em larga escala. A proposição constante para superar estes impedimentos é que lançamos colectores solares para o espaço, onde o sol sempre brilha, as nuvens são impossíveis, ea inclinação do eixo da Terra é irrelevante.

Na Terra, um painel plano inclinado para as médias do sul cerca de 5 full-sun-equivalentes horas por dia para locais típicos, que é de cerca de um fator de cinco pior do que se poderia esperar no espaço. Mais importante, a constância de fluxo solar no espaço reduz a necessidade de armazenamento, especialmente em escalas de tempo sazonais. Eu amo a energia solar. E eu estou conectado à empresa espaço. Certamente colocar os dois juntosrealmente flutua o meu barco, não? Não.

Vou fazer uma pausa de escrever sobre adaptações comportamentais e voltar para fazer as raízes de matemática com uma avaliação de energia solar do espaço e os obstáculos gigantes tal esquema seria enfrentar. Em suma, eu não espero para ver esta tecnologia escapar do reino da fantasia e encontrar um lugar em nosso mundo. A despesa e dificuldade são incomensuráveis com os ganhos.

Quanto melhor é o espaço?

Primeiro, vamos entender a alternativa terrestre suficientemente bem para saber o espaço que nos compre. Mas na comparação terrestre solar baseada no espaço solar, vou divergir do que eu acho que pode ser o caminho mais prático / econômico para terrestre solar. Eu faço isso porque o espaço com base em energia solar adiciona um custo tão elevado e complexidade que ganhamos uma grande margem para levantar os custos ea complexidade no chão também.

Por exemplo, a transmissão de energia a partir do espaço baseados instalações solares seria provavelmente por ligação de microondas para o chão. Se nós estamos falando sobre o envio de 36.000 km de energia a partir da órbita geoestacionária, presumo que não iria hesitar sobre o transporte de que alguns milhares de quilômetros sobre a superfície da Terra. Isso nos permite colocar coletores solares em hotspots, como o sudoeste do deserto de os EUA ou a África do Norte para abastecer a Europa. Um painel plano inclinado a uma latitude sul no deserto de Mojave da Califórnia se reuniam uma média anual de 6.6 full-sun-equivalentes horas por dia em todo o ano, variando de 5,2-7,4 em todos os meses do ano, de acordo com o estudo redbook NREL .

Em seguida, certamente iríamos permitir que nossos fantasia baseados em terra painéis de articular e acompanhar o sol através do céu. Um eixo de rastreamento sobre um eixo norte-sul inclinado para a latitude local melhora o nosso site Mojave, para uma média anual de 9,1 horas por dia, variando de 6,3-11,2 longo do ano. Um passo à frente em termos de complexidade, dois eixos de rastreamento que move a média anual de 9,4 horas por dia, variando de 6,8 a 12,0 horas. Nós só ganhar alguns por cento em ir de um a dois eixos, porque o tracker de um eixo está sempre apontando dentro de 23.5 ° da direção ao sol, ea projeção cosseno deste ângulo nunca é inferior a 92%. Em outras palavras, é útil saber que uma rastreador um eixo simples faz quase tão bem quanto um mais sofisticado rastreador dois eixos. No entanto, vamos usar o full-se de dois eixos-performance contra a qual a referência ganho de espaço.

Em uma base anual e, em seguida, recebendo iluminação contínua de 24 horas solares bate no deserto da Califórnia por um fator de 2,6 em média anual, variando de 2,0 no verão a 3,5 no inverno. Um dos meus pontos será o lançamento para o espaço é um pedaço de um monte de trabalho e despesa para obter um fator de três em exposição. Parece uma boa aposta que é mais barato para construir três vezes mais painéis e colocá-los no chão. Não é ciência do foguete.

Para maior precisão técnica, nós também queremos corrigir para a atmosfera, o que leva um 21% batido para a energia disponível para um fotovoltaicos de silício (PV) no terreno contra o espaço, utilizando os 1,5 massas de ar padrão . Mesmo que a 1347 W / constante m² solar no espaço é de 35% maior do que no chão, a maior parte do absorção atmosférica é a comprimentos de onda infravermelhos, onde silício PV é ineficaz. Mas tomar o hit de 21% em conta, vamos apenas colocar o ganho de espaço em um fator de três e chamá-lo de perto o suficiente.

O que se segue pode ser aplicada a painéis fotovoltaicos em linha reta para cima como colecionadores, ou para refletores concentrados para que o material menos fotovoltaica é utilizada. Uma vez que estamos a comparar a dois-eixo localizando no chão, a concentração é em cima da mesa.

Opções orbitais

Será que estamos de fato lidando com 24 horas de exposição no espaço? Um run-of-the comum moinho órbita baixa da Terra, órbitas (LEO) por satélite em uma altura de cerca de 500 km. Nessa altura, o satélite Terra-abraçando gasta quase metade do tempo a sua bloqueado a partir do Sol pela Terra.O número real para que a altitude é de 38 por cento do tempo, ou 15 horas por dia de exposição ao sol. É possível organizar uma quase polar “sol síncrona” órbita que monta a linha do nascer do sol / por do sol na Terra, para que o satélite está sempre banhado pela luz solar, sem eclipsar pela Terra.

Mas qualquer satélite LEO vai varrer o chão em mais de 7 km / s, aparecendo por apenas 2 minutos acima de uma elevação de 30 ° até mesmo para uma passagem aérea direta (e apenas cerca de 6 minutos de horizonte a horizonte). O que é pior, este satélite em particular em uma órbita sincronizada com o Sol não vai gerar freqüentemente passa por cima no mesmo ponto na Terra, que gira sob a órbita.

Em suma, as instalações solares em LEO poderia na melhor das hipóteses fornecer energia intermitente para qualquer local que dado é a principal razão para deixar o solo em primeiro lugar. Possivelmente, uma armada de instalações menores poderiam fechar por, cada esguichando energia que passa. Mas além de ser uma dor de cabeça colossal de coordenar, os sol-síncrona full-sol satélites seriam necessariamente apenas passar por locais experimentando nascer ou pôr do sol. Está iria ficar toda a sua energia em duas doses por dia, o que não é um muito lisa , embalagem e parece derrotar uma vantagem primária de energia baseado no espaço solar em evitar a necessidade de armazenamento.

Qualquer conversa séria de energia solar no espaço baseia-se em órbitas geoestacionários. O período de um satélite ao redor da Terra pode ser calculado a partir de Lei de Kepler relaciona o quadrado do período, T , ao cubo do semi-eixo maior, uma : T ² = 4 π ² uma ³ / GM , ondeGM  ≈ 3,98 × 10 ¹⁴  m³ / s ² é gravitacionais de Newton constante vezes a massa da Terra.Para uma órbita de 500 km de altura ( um  km ≈ 6878), temos um período de 94 minutos.O período torna-se um dia um  ≈ 42,2 mil quilômetros, ou cerca de 6,6 raios terrestres. Para um globo terrestre de tamanho padrão, isto é cerca de um metro do centro do globo, se você quiser visualizar a geometria.

Um satélite geosynchronous de fato orbita a Terra, mas a Terra gira embaixo dele em como taxa, de modo que uma dada localidade na Terra tem sempre uma visão de linha para o satélite, que parece pairar no céu perto do equador celeste. É por esta razão que os receptores de satélite são muitas vezes vistos inclinado para o sul (no hemisfério norte) para apontar para a plataforma empoleirado.

Estar tão longe da Terra, o satélite raramente entra eclipse. Quando isso acontece, a duração será de algo como 70 minutos. Mas isso só acontece uma vez por dia durante os períodos quando o Sol está perto do plano equatorial, dentro de cerca de ± 22 dias de equinócio, duas vezes por ano. Em suma, é de esperar sombreamento cerca de 0,7% do tempo. Não é tão ruim.

Transmissão de Energia

Agora aqui é a parte complicada. Obtendo o poder de volta para o chão não é trivial.Estamos acostumados a usar fio de cobre para transmissão de energia. Para a interconexão espaço-Terra, temos de recorrer a meios electromagnéticos. A maioria das discussões dos centros de energia eletromagnética de transmissão de lasers e microondas. Vou imediatamente descartar lasers como impraticável para esta finalidade, porque as nuvens de transmissão de bloco, porque a conversão do poder em electricidade não é tão directa / eficiente uma vez que pode ser, por microondas, e porque a geração de potência do laser tende a ser ineficiente (meu ponteiro laser é cerca de 2%, por exemplo, embora se possa fazer muito melhor).

Então vamos microondas! Por razões que ficarão claras adiante, queremos que a freqüência mais elevada (menor comprimento de onda), podemos obter sem perder muito na atmosfera. Abaixo está um gráfico gerado a partir de uma ferramenta interativa associada com o Observatório Caltech Submillimeter (onde tive minha primeira experiência observando Mauna Kea). Este lote corresponde a um céu seco, com apenas 2,0 mm de vapor de água precipitável. Mesmo assim, a água toma seu pedágio, absorvendo / espalhando a radiação de alta freqüência para que a fração transmitida através da atmosfera é pequena. Apenas em freqüências de 100 GHz e abaixo que o ambiente se tornar quase transparente.

Mas, se temos 25 mm de água precipitável (e espessas nuvens têm muito mais do que isso), temos o seguinte quadro, que já é baixo para transmissão de 75% a 100 GHz. Nosso sistema não é totalmente imune a nuvens e condições meteorológicas.

Mas vamos com 100 GHz e ver o que isto nos leva. Note que apesar de fornos de microondas utilizam uma frequência muito menor de 2,45 GHz ( λ  = mm 122), o mesmomecanismo de aquecimento dielétrico opera a 100 GHz (com um pico em torno de 10 GHz).A fim de evitar tanto a absorção de água e aquecimento dielétrico, nós teríamos que deixar cair a freqüência para o regime de rádio.

Em 100 GHz, o comprimento de onda é de cerca de λ  milímetros ≈ 3. A fim de transmitir um feixe de microondas para o chão, uma devem lidar com a natureza difractiva de radiação electromagnética. Se formamos um feixe perfeitamente colimado (paralela) de energia de microondas de um prato no espaço com diâmetro D _s -em que o índice do ‘s’ representa o segmento espacial-que poderíamos ingenuamente antecipar o feixe perfeitamente formado para chegar a Terra ainda em montagem um diâmetro arrumado D_s . Mas não. Difracção impõe uma propagação angular de cerca de lambda / D _s radianos, de modo que o feixe se espalha para um diâmetro para o chão, D _g  ≈  rλ / D _s , onde r é a distância entre o transmissor eo receptor (cerca de 36.000 km em nosso caso) . Podemos reorganizar isto para dizer que o produto dos diâmetros do transmissor e receptor deve pratos aproximadamente igual ao produto da distância de propagação eo comprimento de onda: D _s D _g  ≈  rλ

Então? Bem, vamos começar por dizer que D _s e D _g são os mesmos. Neste caso, seria necessário que o diâmetro de cada prato para ser de 330 m. Estes são gigante , especialmente no espaço. Note também que realmente precisamos D _g  =  D _s  +  rλ / D _spara dar conta da extensão original da viga antes de difração se espalha ainda mais. Então, realmente, o único na Terra seria de 660 m de diâmetro.

O lançamento de um prato de microondas este grande deve atingir qualquer pessoa como proibitivamente difícil, então vamos de volta para uma escala mais imaginável D _s  = 30 m (ainda bastante impressionante), caso em que o nosso receptor em terra deve ser de 3,6 km de diâmetro!

Agora você pode ver porque eu queria manter a alta freqüência, ao invés de mergulhar no rádio, onde os pratos seria necessário apenas ficar maior em proporção ao comprimento de onda.

Voltar ao Conversão de Energia Elétrica

Em freqüências de microondas, é muito simples para corrigir directamente o campo elétrico oscilante em corrente contínua para algo como 85% de eficiência. A geração de energia de microondas irradiada no espaço, a captura de energia para o chão, em seguida, a conversão para corrente eléctrica todos tem o seu preço, de modo que o processo de ponta a ponta pode ser esperado que têm algo na vizinhança de 50% de eficiência .

Feixe de Segurança e Consequências

Eu não me preocupo muito sobre como manter o feixe de ser desviado da região de coleta.Há inteligentes, não-seguros sistemas para assegurar o alinhamento adequado / apontador.De acordo com a página Wikipedia sobre o assunto, a força de transmissão recomendada seria 230 W / m no centro do feixe. Isso é cerca de um quarto da força de pleno sol, e é pensado para ser um nível seguro por meio do qual aviões e pássaros podem voar.

A este nível, a nossa área de 3,6 km de diâmetro coleta geraria cerca de 40 GWh de energia em um dia, em uma suposta eficiência recepção / conversão de 70%. Em comparação, uma matriz simples de painéis de 15% de eficiência PV ocupando a mesma área no deserto de Mojave geraria cerca de um quarto tanta energia em média ao longo do ano. Então, esses hotspots radiantes não são muito mais concentrada do que a luz solar fornece já. Mais uma vez, vejo-me coçar a cabeça a respeito de porque nós deveríamos ir para tantos problemas.

Lançamento Custos

Isso nos leva ao enorme custo de lançamento de material para o espaço. Hoje o custo para colocar coisas em órbita geoestacionária é de cerca de 20.000 dólares por quilo de material lançado. Temos uma história de esperança e otimismo que os custos de lançamento vai despencar no futuro. Até agora, isso não aconteceu realmente, e os preços crescentes da energia não vão ajudar os custos de unidade cada vez menor. Enquanto isso, o programa espacial dos EUA parece estar de volta escala.

Em 1999, a NASA iniciou um estudo de 22 milhões dólares investigar a viabilidade do espaço baseado em energia solar. Entre suas conclusões foi que os custos de lançamento precisaria descer para US $ 100-200 por kg para fazer com base no espaço de energia solar economicamente competitiva. É difícil imaginar a realização de uma redução do fator de-100 em custos de lançamento.

Vamos fazer nossa própria análise rápida. Um painel de cobertura padrão oferece cerca de 10 W por quilograma de massa (um pouco melhor do que isso, mas vou ater a números redondos). Vamos dizer que uma versão light ponderada para o espaço atinge uma melhoria do fator de-100 impressionante: mesmo poder para 1% da massa. Isto dá 1 kW / kg. Eu poderia ser grosseiramente demasiado optimistas nesta estimativa, mas vamos ver onde isso nos leva. Ignorando sobrecarga outra infra-estrutura (sistemas de cablagem, propulsão, suporte estrutural, antena de transmissão de microondas, comunicações, etc), vamos acabar com um custo de lançamento de US $ 40 por Watt entregou a contabilidade, para entrega de 50% de eficiência, e isto é apenas o custo de lançamento . Eu aposto que o espaço-qualificados painéis fotovoltaicos ultraleves não são tão baratos como os painéis de knock-cerca que colocamos em nossos telhados de $ 2 / W. Então, talvez o custo do hardware espaço, o lançamento de todos os sistemas, e construir-out de sistemas terrestres expansivas vai custar mais de US $ 60/W-becoming $ 400 / W, se não conseguirmos a redução de 100 × peso por Watt, estabelecendo-se para 10 × em vez disso. Com certeza, a iluminação constante fornece um fator de três em favor do espaço, para que possamos dar-lhe um desconto × 3 para a sua contribuição em tempo integral. Mas ainda assim, comparado com os custos de terra típicos de instalação de US $ 5 / W, vemos que a abordagem solar é pelo menos quatro vezes mais caro. Você pode até mesmo jogar em baterias no sistema de aterramento, sem exceder o custo do espaço, e todas as razões para ir ao espaço que derreteu.

Retorno de energia em energia investida

Minha reação inicial à noção de arremessar painéis solares no espaço foi a de que a energia necessária para lançar painéis para órbita geoestacionária pode prejudicar totalmente a energia fornecida por esse sistema. Vamos dar uma olhada rápida com números aproximados.

Primeiro, os painéis solares de silício de hoje retornar o investimento de energia, após 3-4 anos de implantação . Cole-os no sol por 30-40 anos, e você tem uma EROEI de 10:1.Especialmente painéis de luz ponderados espaço provavelmente vai precisar de mais energia para fazer por quilowatt, mas vai gastar uma fração muito maior do seu tempo no espaço absorvendo energia. Vamos apenas supor que o retorno seria de 5 anos se o painel de espaço foram colocados no chão. Mas no espaço, o painel funciona cinco vezes mais tempo por dia do que os painéis para que o retorno de 3-4 anos é calculado. Então vamos chamá-lo um mesmo um ano para a fabricação de retorno no espaço. Painéis no espaço vai ser submetido a um raio cósmico muito mais dura (e detritos prejudiciais) meio ambiente do que aqueles no chão, de modo que devemos reduzir a vida útil de, digamos, 20 anos.Ainda assim, essa é uma EROEI 20:1 para a parte da indústria transformadora. Mas depois há o lançamento.

Um estudo de peso bruto de foguetes em comparação com carga entregue a órbita geoestacionária revela uma taxa de aproximadamente 100:1. Isto intuitivamente faz sentido para mim, dada a logarítmica equação do foguete : a maior parte do combustível é gasto levantando o combustível que deve ser gasto para levantar mais de combustível, etc (ver o apêndice do pós recursos fita para a minha explicação sobre isso).

Existe uma regra de polegar agradável-altamente aproximada-que a energia incorporadaem produtos é de cerca de a mesma que a da massa equivalente de gasolina, a cerca de 40 MJ / kg. A produção de alumínio requer mais, a 220 MJ / kg, mas muitos materiais são surpreendentemente próximo a esse valor (e de combustível será direito sobre a marca). Um foguete vai usar um monte de alumínio, mas muito mais combustível. Então, podemos ir com um número redondo como 50 MJ por kg.

Se eu tirar meu painel de ultra-leve produzir 1 kW / kg, devo lançar 100 kg de foguetes, a um custo de 5 GJ. Um painel de 1 kW vai entregar 0,5 kW para o usuário final, após a transmissão / conversão perdas são consideradas. O 5 GJ preço de lançamento é pago depois de 10 ⁷ segundos, ou cerca de um terço de um ano. Adicione a energia incorporada dos outros componentes no espaço e no chão, e eu poderia facilmente acreditar chegarmos a um ano de recuperação, agora elevando o total (produção mais lançamento) a dois anos e um EROEI em torno de 10:1. Se o meu 100 × luz ponderação prova ser irrealista, e só podemos perceber um fator de dez melhoria sobre nossos painéis de telhado, o custo de lançamento de painéis solares sobe para três anos, de modo que a adição de outros componentes em resultados, talvez, um EROEI 04:01 .

No final, o EROEI não é tão proibitivo quanto eu imaginava: não é um dreno de energia líquida como eu poderia ter temido. Mas não é, obviamente, melhor do que o convencional ou solar.

Em Resumo

Percebo que as pessoas têm uma tendência a pensar o espaço é fácil. Temos muitos satélites, nós fomos à Lua (lembra disso?!), Estamos habituados a ter um programa de ônibus espaciais, e temos visto muitos filmes e programas de televisão estabelecidas no espaço. Mas o espaço é um ambiente muito desafiador, e é extremamente caro e difícil de entregar as coisas lá. Se você ir para o site Fed-Ex para obter os custos de entrega, você imediatamente se desligou em não saber o código postal para o espaço. Uma vez no espaço, as falhas não podem ser consertados. A estratégia de mitigação de costume é a redundância, adicionando peso e custo. Um espaço com base em sistema de energia solar pode parecer muito legal e futurista, e pode parecer à primeira vista uma resposta óbvia para intermitência, mas isso tem um custo grande. Entre os desafios possivelmente imprevistos:

• O ganho sobre a localização de um bom no chão é apenas um fator de 3 (2,4 × no verão, 4,2 × no inverno a 35 ° de latitude).
• É quase tão difícil de obter energia de volta para o chão, pois é para obter o equipamento para o espaço em primeiro lugar.
• O link de microondas enfrenta problemas com a transmissão através da atmosfera, e também flerta com patos assar na asa.
• Difração do feixe de downlink, com limites de densidade de energia, significa que as áreas muito grandes de terra ainda precisa ser dedicado para coleta de energia.

Tradicionais energia solar fotovoltaica em bons locais podem realizar o mesmo para o custo muito reduzido, e com a terra apenas algumas vezes mais do que a abordagem link de microondas exigiria. As instalações será útil e irá durar mais tempo. Baterias parece uma maneira mais fácil para cobrir deficiências de armazenagem do que o lançamento de material para o espaço. Eu nem sequer abordar solares térmicos esquemas neste post, que concorre bem com a energia fotovoltaica e podem, muito naturalmente, construir em capacidade de armazenamento.

Estou deixou intrigados em porque nós gostaríamos de tomar um caminho mais difícil, mais caro a energia solar. Eu acho que não é apenas intuitivo como o espaço mais difícil e caro é. E talvez eles acham que é muito futurista e legal para empurrar a nossa geração de energia para o espaço: ele se encaixa a narrativa preferida sobre para onde estamos indo.Eu não sei eu só estou supondo.

Os astrônomos freqüentemente enfrentam esse problema: devemos construir um telescópio / observatório no chão, ou lançar algo para o espaço? A sabedoria prevalecente é que, se a ciência pode ser feito no chão, então pelo amor de Deus é melhor você fazer isso dessa maneira. Você vai ter o resultado mais cedo, em menos despesa, e com maior chance de sucesso. A maior parte do avanço astronômico é realizada a partir do solo. O espaço é reservado para aqueles lugares onde não há outra maneira. A atmosfera bloqueia muitos comprimentos de onda de interesse, cria turbulência que faz imagem de alta resolução difícil, e produz variações na transmissão que o tornam impossível medir os fluxos para alta precisão. A Terra rotativa fica no caminho de observação contínua de um único alvo por longos períodos. Algumas das descobertas mais excitantes (um bem divulgado) vêm de missões espaciais, porque estas vias não são geralmente disponíveis para nós, aumentando o potencial de descoberta.

Espaço baseado em energia solar contém pouca vantagem intrínseca que podemos ter “apenas a partir do espaço.” Parece uma lavagem na melhor das hipóteses, e os astrônomos diriam que “não se incomode.”

Este post foi publicado originalmente no blog de Tom Murphy,  fazer as contas: Usando a física ea estimativa para avaliar o crescimento, energia, opções .

Tom Murphy é professor associado de física na Universidade da Califórnia, San Diego.Um astrônomo amador no colégio, major da física na Georgia Tech, e Ph.D. estudante de física da Caltech, Murphy passou décadas divertindo-se com o estudo da astrofísica. Ele atualmente lidera um projeto para testar a relatividade geral saltando pulsos de laser fora dos refletores deixados na Lua pelos astronautas da Apollo, a realização de um milímetro de faixa de precisão. Interesse de Murphy em temas energéticos começou com o seu ensino de um curso sobre energia e meio ambiente para majores da não-ciência na UCSD. Motivado pelos desafios sem precedentes que enfrentamos, ele aplicou suas habilidades de instrumentação para explorar energias alternativas e sistemas de medição associados. Seguindo seus instintos naturais para educar, Murphy está ansioso para fazer as pessoas pensarem sobre o caso quantitativamente convincentes de que nossa busca de uma escala cada vez maior da vida enfrenta desafios gigantescos e apresenta riscos significativos.

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