یکی از موانع عمده ای که باعث کندی توسعه برق خورشیدی میشود، اتمسفر بالای سرمان هست. سلولهای خورشیدی که بر روی سطح زمین قرارداده میشوند تنها زمانی که خورشید در آسمان هست میتوانند تولید برق نمایند و برای بسیاری از کشورها، خصوصا در نیم کره شمالی، پوشش ابر طولانی مدت بعنوان پوششی بر اقتصاد برق خورشیدی تلقی میگردد. اما چقدر خوب است اگر بتوان از اتمسفر عبور کرد و انرژی خورشیدی را در فضا بطور مستقیم از خورشید دریافت کرد. در سال 1941 میلادی نویسنده داستانهای علمی، ایزاک آسیموف، در داستانی با عنوان “دلیل” در مورد ایستگاههای فضایی سخن گفت که میتوانستند انرژی جذب شده از خورشید را با پرتوهای میکروویو به ایستگاههایی بر روی زمین منتقل نماید. امروزه، حداقل بر اساس ادعاهای دکتر سوزومو سازاکی از آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن موسوم به JAXA ، داستانهای علمی میتوانند طی ربع قرن آینده به واقعیتهای علمی تبدیل شوند. در آوریل 2014 میلادی، JAXA پیشنهاد آزمایشهای زمینی و مداری جهت توسعه سیستم برق خورشیدی فضایی را ارائه داد که میتواند تا سال 2030 میلادی عملی گردد.
تاریخچه برق خورشیدی فضایی
تولید برق خورشیدی در فضا موضوع جدیدی نیست. بعد از ابداع اولین سلولهای خورشیدی پایه سیلیکونی و ظهور سفرهای فضایی، مدت زیادی طول نکشید که افرادی متوجه شدند که این دو میتوانند پیوند خوبی داشته باشند.
مهندس هوافضای آمریکایی،پیتر گلاسر، اولین طرح رسمی برای سیستم برق خورشیدی فضایی را، درست یک سال پیش از آنکه آرمسترانگ پا روی ماه بگذارد، در سال 1968 به رشته تحریر درآورد. در سال 1973 میلادی، او ابداع خود را با شماره 3,781,647 برای سیستم برق خورشیدی ماهواره موسوم به SSPS ثبت کرد. موضوع ابداع او، انتقال انرژی خورشیدی در فواصل طولانی با پرتوی مایکروویو از یک آنتن در فضا به یک سطح بسیار بزرگتر بر روی زمین بود.
دریافت کنند زمینی، بعدها، رکتانا(Rectana) نامگذاری گردید. در سال 1974 میلادی، گلاسر قراردادی را با ناسا جهت انجام مطالعات جامعتر بست. گزارش اولیه آن کافی بود که ناسا بودجه کافی را برای مطالعات و توسعه آن بشکل پروژه هایی در دهه 70 و 80 میلادی تامین نماید. تغییری در سیستم مدیریت کافی بود که در نهایت باعث توقف توسعه بیشتر این ایده شود. اداره فناوری اطلاعات به این نتیجه گیری رسید که جنبه های ناشناخته فنی و اقتصادی سیستم برق خورشیدی فضایی وجود دارد. از آن موقع تا سال 1999، ناسا نگاه جدی در مورد برق خورشیدی فضایی با برنامه تحقیق و فناوری اکتشاف فضای خورشیدی فضایی (SERT) نداشت. آنها برخی از مفاهیم ماهواره برق خورشیدی (SPS) را با استفاده از مدار هماهنگ جغرافیایی مطرح کردند و امکان پذیری کلی و نیازمندیهای طراحی را بنا نهادند. این مفهوم مستلزم یک سیستم خورشدی فضایی گیگاواتی، با ساختار عظیم فتوولتائیک بادوام، هست که از موتورهای تابش خورشیدی برای تولید برق استفاده می کند. یک برآورد کلیدی که از مطالعات حاصل شد این بود که برای امکان پذیری احداث SPS، هزینه حمل به مدار زمین رقمی بین 100 تا 200 دلار آمریکا به ازای هر کیلو گرم باید باشد. اجازه دهید در اینجا نگاهی به آخرین نقشه راه برق خورشیدی فضایی بیاندازیم.
هر نقشه راهی نیاز به مقصد دارد و برای برق خورشیدی فضایی، JAXA یک سیستک یک گیگا وات را پیشنهاد داد. این سیستم شامل یک ماهواره گردش مداری است که با سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون ساخته شده است. آینه های مداری بنحوی قرار میگیرند که نور خورشید را همواره بر روی سلولهای خورشیدی بتابانند که همزمان با چرخش زمین در حال گردش میباشند حتی زمانی که در بخش تاریک زمین قرار گیرند. در سطحی به طول سه کیلومتر، که با پنج میلیون آنتن مینیاتوری پوشیده شده، پرتو های میکروویو از ماهواره ای در فاصله 36 هزار کیلومتری بالای زمین دریافت شده و به جریان DC تبدیل میشود. یک ایستگاه جزیره ای، برق را از طریق کابل کف دریا به طور مستقیم به شبکه برق توکیو متصل مینماید. برای یک پروژه بلند پروازانه، دکتر سازاکی توسعه 6 مرحله ای را متصور میشود:
– انتقال برق بدون سیم
– حمل و نقل فضایی
– ساخت و ساز فضایی
– کنترل ماهواره ای
– تولید برق
– مدیریت توان
در پایان قرن نوزدهم، نیکولا تسلا، در واردنکلایف واقع در سواحل شمالی نیویورک، شروع به ساخت برج معروف 57 متری کرد. هدف او ساخت نمونه اولیه یک برج انتقال برق بیسیم بود. اما در سال 1904 میلادی با اتمام قدرت مالی، طلبکارانش مانع رسیدن او به آرزویش شدند. انتقال بدون سیم انرژی برق با دو روش لیزری و میکروویو امکانپذیر میباشد. روش لیزری برای انتقال برق از فضا بدلیل آنکه در مسیر انتقال توسط ابرها جذب و یا پراکنده میشود، توجیح پذیر نمیباشد. لذا اگر قرار است سیستم برق خورشیدی فضایی عملی شود میبایست بکمک میکروویوها انجام پذیرد.
هسته مرکزی فن آوری انتقال برق خورشیدی فضایی عبارت است از قابلیت تبدیل جریان DC به امواج میکروویو در ماهواره ، ارسال آنها به سمت زمین، دریافت و تبدیل آن به جریان DC بر روی زمین. جریان DC تولید شده سلولهای خورشیدی در مگنترون، کریسترون و یا لوله های خلا مستقیما به امواج میکروویو تبدیل میگردد. لوله های خلا از حرکت بالستیکی الکترونها که تحت تاثیر میدان مغناطیسی میباشند برای تولید امواج میکروویو استفاده میکنند. تفاوت در استفاده از میکروویوهای فرکانس پایین برای نفوذ در اتمسفر و میکروویوهای فرکانس بالا برای کاهش اندازه آنتنها قابل ذکر است. نهایتا یک محدوده فرکانس قابل قبول بین 2.45 تا 5.8 گیگاهرتز برای سیستمهای تجاری تولید برق فضایی تعیین میگردد. یک گیگاوات سیستم برق خورشیدی فضایی JAXA ، جهت احدث، حداقل 100 میلیون تقویت کننده نیمه هادی 10 واتی نیاز دارد.
بر روی سطح زمین، یک سیستم آنتن Rectenna برای دریافت امواج میکروویو از فضا و تبدیل آن به جریان DC مورد نیاز است. در ساده ترین شکل، یک Rectenna شامل یک آنتن دو قطبی مجهز به یک دیود RF می باشد. امواج میکروویو در آنتنها بشکل جریان AC ظاهر میگردند که توسط مبدلهای تقویت کننده به جریان برق DC تبدیل میگردد. این کار در همان جزیره آنتن رکتانا بطول 3 کیلومتر انجام خواهد شد. البته چالش اصلی این خواهد بود که بتوان امواج را به طور مستقیم از مجموعه آنتنها که در فاصله 36،000 کیلومتری از فضا قرار گرفته اند به آنتن زمینی ارسال کرد. دستیابی به پرتوهای دقیق مایکروویو نیاز به تطبیق فاز در یک مقیاس دقیق دارد. فازهای یک میلیارد آنتن در SPS باید بتوانند با یکدیگر تطابق پیدا کنند تا نهایتا یک پرتو را ایجاد کنند که بتواند آرایه rectenna را در سطح زمین هدف قرار دهد. راه حل JAXA برای این مساله این است که از یک سیگنال راهنما که از گیرنده های زمین به آنتن ها در فضا ارسال میگردد، استفاده شود. هر آنتن بشکل جداگانه با فاز سیگنال راهنما خود را تطبیق میکند تا یک پرتو کوچک از مایکروویو ها ایجاد کند که بتوانند هدف خود را پیدا کند.
در تستهای آزمایشگاهی، 80 تا 95 درصد از انرژی منتقل شده از طریق امواج میکروویو دریافت گردید. در شرایط ایده آل، به این معنی است که شما میتوانید 90 درصد از انرژی ارسالی از ماهواره خورشیدی را بر روی زمین دریافت نمایید. نسبت تبدیل عملی تاکنون 54٪ بوده است، بنابراین قبل از اینکه انتقال برق بی سیم قابل قبول باشد، کارهای زیادی باید انجام گیرد.
JAXA یک سری برنامه ها برای نمایش انتقال برق برای فواصل دور و با استفاده از امواج مایکروویو را برنامه ریزی کرده است. محققان در حال برنامه ریزی برای فرستادن صدها وات به فاصله بیش از 50 متری هستند. این طرح شامل چهار پنل خواهد بود که متناسب با یکدیگر در حرکت خواهند بود تا حرکت آنتن را در مدار مشابهی همانندسازی کنند. هر پنل، با اندازه 0.6 در 0.6 متر، تعداد یکصد آنتن کوچک دریافت و انتقال را برای آشکار سازی سیگنال راهنما و نیز انتقال 400 وات برق از مجموع 1600 وات Rectenna را دربر خواهد داشت. در صورت موفقیت، مجموعه Rectenna بایستی قادر باشد 350 وات توان الکتریکی را انتقال دهد. که در نوبه خود، برای دورترین فاصله ممکن، بیشترین توان الکتریکی ممکن خواهد بود.
طی سالهای اخیر، اخبار زیادی را در مورد حمل و نقل هوایی از شرکتهایی همانند SpaceX، Virgin Galactic و United Launch Alliance شاهد بوده ایم. از زمانی که موشکهای قابل استفاده مجدد به واقعیت پیوسته اند، هزینه پرتاب کاهش پیدا کرده و امکانپذیری انتقال مقادیر زیاد مصالح به فضا برای پروژه های ساخت واقعیتر شده است. احداث ایستگاه فضایی بین المللی، نمونه ای است برای اینکه چطور JAXA ممکن است قادر به ساخت SPS بزرگ خود درفضا شود. ساختن قطعات مدولار بر روی زمین و سرهم کردن آنها در فضا در حال حاضر در حد توانایی بشر هست. تنها چیزی که ما نیاز داریم سفر کم هزینه تر با موشکهای قابل استفاده مجدد و سیستمهای پرتاب بهبود یافته میباشد.
JAXA دو طرح را برای ماهواره برق خورشیدی که می تواند به طور موثر انرژی خورشید را جهت تولید برق را در مدار زمین دریافت کند، مطرح کرده است.
طرح اول، که ساده تر هم هست شامل استفاده از تثبیت کننده تغییرات گرانشی برای حفظ موقعیت دریافت کننده های تابش خورشید در مدار زمین میباشد. چنین ماهواره ای باید یک صفحه بزرگ پوشیده از سلولهای فتوولتائیک در قسمت بالا و صفحه بزرگ دیگر در پایین که پوشیده از آنتنهای انتقال هست را شامل باشد. در حد فاصل بین دو صفحه، یک Bus برای استفاده سیستمهای کنترلی و ارتباطات ماهواره ای قرار میگیرد. پنلها با کابلهایی به طول 10 کیلومتر به این bus متصل میگردند. نیروی غالب برای پنل پائینی، که به زمین نزدیکتر است، جاذبه زمین و برای پنل دورتر، گریز از مرکز خواهد بود. در نتیجه تعادل بین این نیروها باعث میشود که ماهواره برق خورشیدی، بدون نیاز به مصرف سوخت، در مدار خود به دور زمین در حال تعادل باقی بماند و بدین ترتیب در هزینه ها صرفه جویی قابل توجهی صورت پذیرد. این ترکیب اصلی، یک نقص اساسی دارد چرا که در این ترکیب، جهت صفحات خورشیدی ثابت است و بدلیل آنکه ماهواره برق خورشیدی مجبور به حفظ موقعیت خود با گردش زمین است، تغییرات زیادی را در برق تولید شده به دنبال خواهد داشت.
طرح دوم، دو آینه غول پیکر را شامل خواهد شد که در 24 ساعت شبانه روز، نور خورشید را بر روی پنل های خورشیدی خواهد تاباند. آینه ها باید براحتی حرکت کنند و لذا نیاز به ارتقاء قابل توجهی از اقدامات انجام شده توسط آژانس های فضایی امروزی خواهد داشت. همچنین علاوه بر سبک بودن باید از مواد مقاوم ساخته شوند.
سیستم برق خورشیدی فضایی در چنین مقیاسی نیاز به یک ایستگاه برق زمینی، برای تبدیل برق DC تولید شده به برق AC قابل اتصال به شبکه، دارد. خوشبختانه بمحض دریافت توان الکتریکی در این ایستگاه، مدیریت این بار DC تبدیل به یک نیروگاه استاندارد می شود. کابل برقی که از زیر دریا عبور میکند، برق تولیدی را به شبکه برق شهرها میرساند. موضوع مورد مطرح منتقدان سیستم برق خورشیدی فضایی، عمدتا مربوط به افت راندمان ذاتی ناشی از مسیر تبدیل از یک فوتون به جریان DC در زمین میباشد. افت راندمان کلی مجموع افت در هر مرحله میباشد. اولین افت راندمان ناشی از ضعف ما برای استفاده از اثر فتوولتائیک در سیستم های فتوولتائیک خورشیدی است. سپس در هر یک از مراحل ذکر شده افت راندمان رخ خواهد داد. SPS ها برای کشوری مثل ژاپن که محدودیت دسترسی به سوختهای فسیلی دارند جذابتر خواهد بود. گذشت زمان نشان خواهد داد که چطور پیشرفت فن آوری باعث ارزانتر شدن تولید برق در سیستمهای برق خورشیدی فضایی میشود.
http://www.altenergy.org/new_energy/space-solar-power.html
بازدیدها: 45
