Space Solar Power Exploratory Research and Technology-program

Space Solar Power Exploratory Research and Technology (SERT), utfört av NASA , initierades av John C. Mankins och leddes av Joe Howell i mars 1999 i följande syfte:

  • Utföra designstudier av utvalda flygdemonstrationskoncept;
  • Utvärdera studier av den allmänna genomförbarheten, designen och kraven.
  • Skapa konceptuella konstruktioner av delsystem som använder avancerad SSP-teknik för att gynna framtida rymd- eller markbaserade applikationer.
  • Formulera en preliminär handlingsplan för USA (att arbeta med internationella partners) för att ta ett aggressivt teknikinitiativ.
  • Konstruera färdplaner för teknisk utveckling och demonstration för kritiska Space Solar Power-element (SSP). Det var att utveckla ett solenergisatellitkoncept (SPS) för ett framtida gigawatt rymdkraftsystem för att tillhandahålla elektrisk kraft genom att omvandla solens energi och stråla ut den till jordens yta. Det var också för att ge en utvecklingsväg till lösningar för nuvarande rymdkraftsarkitekturer. Med förbehåll för studier föreslog den en uppblåsbar fotovoltaisk gossamer- struktur med koncentratorlinser eller soldynamiska motorer för att omvandla solflux till elektricitet. Det första programmet tittade på system i solsynkron bana , men i slutet av programmet tittade det mesta av analysen på geosynkron ing ofattbart stora initiala investeringar i fast infrastruktur innan utplaceringen av produktiva kraftverk kan börja.
  • Rymdens solenergisystem verkar ha många betydande miljöfördelar jämfört med alternativa tillvägagångssätt.
  • Den ekonomiska bärkraften för rymdsolenergisystem beror på många faktorer och den framgångsrika utvecklingen av olika nya teknologier (av vilka inte minst är tillgången på exceptionellt låg kostnad till rymden), men detsamma kan sägas om många andra alternativ för avancerad energiteknik .
  • Rymdsolenergi kan mycket väl dyka upp som en seriös kandidat bland alternativen för att möta 2000-talets energibehov.

Program

Modellsystemkategorier (MSC) definierades och sträckte sig från relativt småskaliga demonstrationer till mycket storskaliga operativa SPS-system. I stora drag representerade varje MSC en idé om vilken skala, teknik, uppdrag etc. som kan vara möjliga att uppnå inom en viss framtida tidsram. Teknikinvesteringsplanen använder en tidsfasad metodik för att utveckla hårdvara och system som börjar vid 600 volt, följt av 10 000 V och slutar med 100 000 V för att sprida utvecklings- och testinfrastrukturkostnader över programmets livslängd istället för att ta dem från början. 600 V-tekniken hade omedelbar tillämpning för NASA Advanced Space Transportation Program ( ASTP).

  • 2005: ~100 kW, Free-flyer, kommersiellt utrymme i demonstrationsskala
  • 2010: ~100 kW Planetary Surface System, demoskala, rymdutforskning
  • 2015: ~10 MW Free-flyer, Transport; Stor demo, solklippare
  • 2020: 1 GW Free-flyer, kommersiellt utrymme för solenergisatellit i full skala

Generering av solenergi

Nuvarande solceller ansågs vara för tunga, dyra och svåra att installera. Flexibla tunnfilmsceller lovade ett hållbart framtida alternativ för låg massa, låg kostnad och hög produktionskapacitet genom att deponera specialmaterial i mycket tunna (mikrometer) lager. Flexibilitet främjar avsättning på lätta uppblåsbara strukturer som behövs för att packa stora uppsättningar i bärraketer. Materialen som ansågs ( kapton ) hade inte de höga temperaturegenskaper som krävs för att tillåta celltillväxtavsättning så utvecklingen av en lågtemperaturtillväxtprocess för tunnfilmssolceller fortsatte. År 2000 följdes produktionen av 5 % effektiva prototypceller med liten yta av en 10 % effektiv prototyp på kapton.

Solceller med mycket hög effektivitet

Två längre räckviddsundersökningar av högeffektiva solceller genomfördes. 1) "Rainbow"-celler som ska skräddarsys för våglängderna för specifika områden av solljus fokuserat genom ett prisma . 2) En ensemble av kvantprickar i ett storleksintervall för att fånga upp det mesta av strålningen från solenergispektrumet . Samlingen skulle motsvara en uppsättning halvledare individuellt avstämda för optimal absorption vid deras bandgap genom hela solenergiemissionsspektrumet. Teoretiska verkningsgrader låg i intervallet 50–70 %.

Högspänningsbågsreducering

Arrayerna för en SSP-plattform skulle behöva arbeta vid 1000 volt eller högre, jämfört med den nuvarande internationella rymdstationens 160 vV fotovoltaiska arrayer. Utvecklingen av design- och tillverkningstekniker för att förhindra 1000 V självdestruktiv ljusbåge fortsatte. Flera ljusbågsreducerande tekniker utvärderades. Prover som innehåller de mest lovande teknikerna förvärvades och testades för att uppnå en icke-bågbildande "rad" hård högspänningsuppsättning (större än 300 V). Initial utveckling utfördes vid 300 V för att utnyttja befintliga anläggningar och utrustning.

Soldynamik

Solar Dynamic (SD) kraftsystem koncentrerar solljus till en mottagare där energin överförs till en värmemotor för omvandling till elektrisk kraft. Braytons värmemotorer använder en turbin , kompressor och roterande generator för att producera kraft med hjälp av en inert gasarbetsvätska . Ett sådant system utformades för användning på en SSP.

Kostnader, massa och tekniska risker för olika alternativ för solenergiproduktion (SPG) för ett dynamiskt solsystem studerades. För ett 10MW SD-system, vid höga effektnivåer visade sig denna teknik vara konkurrenskraftig med projicerade solcellssystem. Testning utfördes för att bestämma karakteriseringen av högtemperaturs sekundära koncentratorbrytande material i en SD-miljö. En prototyp av refraktiv sekundär koncentrator med ett koncentrationsförhållande på 10:1 designades. Detta i kombination med en primär koncentrator på 1000:1 skulle resultera i ett mycket högt förhållande på 10 000:1 vilket tillåter ett rimligt krav på peknoggrannhet på 0,1°. Prestandan hos safirkoncentratorn utvärderades via ett kalorimetertest i solen .

Energihantering & distribution

Power Management and Distribution (PMAD) täcker hela kraftsystemet mellan källan eller kraftgeneratorn och lasten, som i detta fall är sändaren . Studier genomfördes för att fastställa förnuftig teknik av denna storlek och omfattning. Alla omkopplare, ledare och omvandlare var enorma jämfört med nuvarande rymdfarkoster. Frågor som att använda växelström vs. likströmsfördelning , jordningsscheman, standardströmledare kontra hög- och/eller lågtemperatursupraledare, systemspänningsnivå kontra miljöbågsreducerande strategier, typer av effektomvandlare och systemskyddsanordningar, och hög temperaturstrålningsbeständiga kretselement . _ _ Resultaten skulle publiceras av Systems Analysis and Technology Working Group (SATWG) vid kulmen av FY 98–99 SERT. Under tiden valdes tekniker ut, där det var möjligt, för att utnyttja andra statliga teknikutredningar:

Supraledare

En kontrakterad studie fortsatte för implementering av supraledare på SSP. Inledande studier visade att överföringsspänningar kunde reduceras till mindre än 300 volt, vilket mildrade bågbildningseffekter. Supraledarkomplikationer inkluderade kryogena kylsystem med pansar för att skydda mot mikrometeoroidpåverkan och specialiserade kontakter vid segment-, switch- och effektomvandlargränssnitt. Det visades att den enorma magnetiska repulsionskraften (i storleksordningen 3,5 MT/meter radiellt vid 1 Megamp) kunde användas för utplacering och för att presentera en extremt stel struktur.

Kraftelektronik av kiselkarbid

Kiselkarbidteknologier som leder till kraftenheter fortsatte att eftersträvas. Detta utnyttjade arbete som tidigare finansierats för att utveckla defektfria och tjocka SiC epitaxiella substrat. Även om substrat för närvarande kunde tillverkas med ett acceptabelt litet antal mikrorörsdefekter, var nästa mål att minska andra defekter som kan skada prestanda hos kraftenheter. Ett mål var att demonstrera högtemperaturdrift av högspännings-SiC- dioder , MOSFET:er och JFET:er i en DC-DC-strömomvandlare och utveckla modeller för att förutsäga inverkan av defekter på enhetens prestanda.

Milstolpar/produkter 1999: Demonstrerade en 2 kW SiC- tyristor som arbetar vid 300 °C; breadboarded 300 V strömbrytare och 600 V strömbrytare; avslutad dynamisk karakterisering av SiC-tyristorer. 2000: Slutförd omvandlartopologi vs. enhetsstudie med en prototyp för omvandlare av brödbräda; Testad 600 V/100 A solid säkring .

Jonpropeller

Jonpropeller är en möjliggörande teknik för SSP Low Earth Orbit (LEO) till Geostationary Orbit (GEO) omloppsöverföring och stationshållning. Studier visade att avancerad elektrisk framdrivning kan ge en faktor 5-ökning i nyttolasten för överföring av jorden till omloppsbana jämfört med lagringsbara biprop- och kryogena biprop- propeller ; nyttolastmassa som normalt skulle visa sig för drivmedel . Jämförelser som gjorts med jonpropeller med rutnät, magnetoplasmadynamiska och pulsade induktiva propeller visade att Hall-propellerteknik ger överlag större fördelar, inklusive snabbare tripptider, bra effekttäthet, en bra modern teknologibas och bra flyghistorik, allt översatt till kommersiell industriacceptans. Framsteg som direkt drivning från solpanelerna och en- och/eller tvåstegsdrift kommer att tillåta nyttolaster på 13 till 15 ton per 20 ton till LEO från lanseringen, i motsats till endast 2 ton med kemisk framdrivning. Restider från LEO till GEO är också rimliga på 120 till 230 dagar beroende på prestandabörvärde. Det föreslagna Hall-propellersystemet bestod av fyra 50 kW krypton Hall-propeller direkt drivna från en 200 kW solcellspanel. Framdrivningssystemet kommer att ingå på varje SSP-segment. Prestanda som krävs från Hall thruster-enheter är 2000 till 3500 sek ISP med en total systemeffektivitet på 52% till 57%. På grund av den massa bränsle som krävs för att placera hela systemet i geostationär omloppsbana, föreslogs drivmedel förutom xenon (som normalt används), såsom krypton och ädelgasblandningar. Ytterligare arbete med alternativa bränslen skulle så småningom behöva genomföras.

År 2000: testad Hall-propeller med hög effekt; utvärderad 1:a generationens inhemska 50 kW breadboard-motor i GRC högeffekt Hall thruster testbädd och högström katodutveckling

Se även

  • Space Solar Power Satellite Technology Development vid Glenn Research Center—En översikt James E. Dudenhoefer och Patrick J. George, NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio
  • Reinventing the Solar Power Satellite" , NASA 2004-212743, Geoffrey A. Landis , NASA Glenn Research Center
  • J. Howell och JC Mankins, "Preliminära resultat från NASA:s Space Solar Power Exploratory Research and Technology Program", 51:a internationella astronautiska kongressen, Rio de Janeiro, Brasilien, 2000.
  • H. Feingold och C. Carrington, "Evaluation and comparison of space solar power concepts", 53rd International Astronautical Federation Congress. Acta Astronautica. Vol. 53, 4–10, augusti–november 2003, s. 547–559. doi : 10.1016/S0094-5765(03)80016-4

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Space_Solar_Power_Exploratory_Research_and_Technology_program&oldid=1004739128 "