انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
Robot Arm Over Earth with Sunburst - GPN-2000-001097.jpg

انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا، انرژی خورشیدی فضايي یا انرژی خورشیدی در فضا، طرحي است كه در آن انرژی خورشیدی (نور خورشید) در فضاي خارج از جو زمين جمع آوری مي شود، سپس اين انرژي را به الکتریسیته تبديل مي كنند كه تبديل نور خورشید به الکتریسیته را توان خورشیدی مي نامند. پس از جمع آوري توان خورشيدي آن را به زمین انتقال مي دهند، اين انرژي عمدتاً به شکل انرژی الکتریکی در زمين استفاده می‌شود. اين پروژه را (به انگلیسی: Space-based solar power) و به اختصار SBSP مي نامند.

تحقيق بر روي این پروژه از اوایل دههٔ ۱۹۷۰ آغاز شد، در زمينه هاي متعددي بر روي اين طرح تحقيق مي شود. از جمله خورشيد و ويژگي هاي آن، نور خورشید، انرژي خورشيدي و زمينه هايي كه در طراحي و اجراي اين طرح طراحان و مجريان اين طرح را ياري مي كند.

طرح SBSP در مقايسه با طرح‌های دیگر جمع آوری انرژی خورشیدی متفاوت است و مزاياي قابل توجهي نسبت به آن طرح‌ها دارد. در این طرح پانل‌ها در ماهواره‌های بزرگ نصب می‌گردند، با توجه به چرخش زمین آن‌ها در خارج از جو، در مدار قرار می‌گیرند. پس از نصب ماهواره ها آن ‌ها نور خورشید را جمع آوری و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند، سپس انرژي را به ایستگاه‌های دریافت، بر روی زمین ارسال می‌کنند. و در این ایستگاه‌ها به محض دریافت، یک جریان الکتریکی در خطوط شبکه ایجاد می‌شود. درباره ي انتقال انرژي از ماهواره ها به زمين چند روش ارائه شده است از جمله امواج مایکروویو و... .

از مزاياي اين روش نسبت به روش هاي ديگري مانند فتوولتاییک، مي توان به اين مواردي اشاره كرد، مثلاً بخشی از انرژی خورشیدی در راه از طریق اتمسفر، اثرات انعکاس و جذب از دست می‌رود. در این روش تجهيزات باعث مي شود تا تغییرات جو زمین تأثیری بر انرژی دریافت شده نداشته باشد حتی هنگام شب كه نور خورشيد به زمين نمي تابد، در فصل زمستان، در هوای برفی و بارانی كه نور خورشيد به زمين كم تر مي تابد، می‌توان انرژی خورشیدی را بر روي ماهواره ها به ميزان چشم گيري دریافت کرد.

براي اجراي چنین طرحي موانعي وجود دارد، در درجه اول مشکل انتقال انرژی از مدار به زمین برای استفاده از انرژي، از آنجا که انتقال انرژی به واسطهٔ سیم از ماهوارهٔ در حال چرخش در مدار، به سطح زمین نه عملی است و نه امکان‌پذیر است با تکنولوژی هاي امروزي، انتقال انرژي در طرح SBSP به طور کلی عبارت است از: استفاده از برخی از شیوه‌های انتقال بی سیم انرژی، ماهواره‌ای که انرژی خورشیدی را تبدیل به انرژی الکتریکی می‌کند، تأمین انرژی یک فرستنده مایکروویو یا ساطع کننده لیزر، تمرکز ‍‍پرتو و انتقال آن بر روی زمین، البته موانع ديگري مانند هزینه هاي طرح‌ هم بر سر راه است.

اجراي اين طرح موجب تحولي عظيم در جهان مي شود، چرا كه مقدار انرژی تابشی خورشید بر روی کره زمین ۶۰۰۰ برابر کل مصرف انرژی‌های سالیانه بر روی زمین است. اجراي اين طرح، آغازی خواهد بود برای اجراي طرح هايي بزرگ تر و گسترده تر در زمينه ي جمع آوري انرژي هاي موجود در فضا و گيتي، خورشيد يكي از ستارگان فضا است كه دماي سطح آن ۵۵۰۵ درجه سانتیگراد است.[۱] ستارگاني در فضا وجود دارند که ‍‍دمای آنها تا ۳۳ هزار کلوین تخمين زده مي شود. اين ميزان دما یعنی گرمای فراوان و از آنجایی که گرما صورتی از انرژی است. پس در فضا مقدار بسيار زيادي از انرژي وجود دارد، با توجه به فعل و انفعالاتي در فضا رخ مي دهد و انرژيي كه اين فعل و انفعالات آزاد می‌کند. دستيابي به انرژي هاي موجود در فضا تأثير مؤثري بر بحران‌های انرژی جهان خواهد گذاشت. يقيناً بشر تلاش مي كند تا اين انرژي ها را به دست آورد و هزينه هاي تمام شده ي انرژي را كاهش دهد.

تاریخچه[ویرایش]

در سال ۱۹۴۱، نویسنده داستان‌های علمی تخیلی آیزاک آسیموف[پ ۱] داستان کوتاه علمی تخیلی را منتشر کرد که در آن یک ایستگاه فضایی انرژی جمع آوری شده از خورشید را با استفاده از پرتوهای مایکروویو به سیارات مختلف، انتقال می‌دهد.

مفهوم انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا، در اصل به عنوان سیستم ماهواره ای انرژی خورشیدی شناخته می‌شود، برای اولین بار در نوامبر ۱۹۶۸ شرح داده شد.[۲] در سال ۱۹۷۳ شماره ثبت اختراع ایالات متحده ۳،۷۸۱،۶۴۷ به پیتر گلاسر[پ ۲] اعطا شد. وی روش خود را به گونه‌ای در نظر گرفت که انتقال قدرت در مسافت های طولانی با استفاده از مایکروویو از یک آنتن بسیار بزرگ که بر روی ماهواره ای قرار دارد به یک آنتن بسیار بزرگتر در حال حاضر به عنوان یک آنتن تصحیح شونده[پ ۳] شناخته می شود و بر روی زمین قرار دارد، انجام می شود.[۳]

گلاسر پس از آن معاون رئيس جمهور در شرکت آرتور دی لیتل[پ ۴](ADL)شد(این شرکت، شرکتی مشاوره مدیریت بین المللی است.)، در سال ١٩٧٤ شرکت ناسا با شرکت ADL قرارداد امضا کرد تا هدایت چهار شرکت دیگر را در یک مطالعه گسترده تر به عهده گیرند. آنها دریافتند که، این موضوع چندین مشکل بزرگ دارد - عمدتا هزینه ی قرار دادن مواد مورد نیاز در مدار و فقدان تجربه در چنین پروژه هایی که در فضا اجرا می شود - این مسائل کاملاً نشان داد که پروژه به بررسی و تحقیق بیشتری نیاز دارد.[۴]

در بین سالهای ١٩٧٨ و ١٩٨١، کنگره آمریکا[پ ۵]، وزارت انرژی[پ ۶] و ناسا را مجاز کرد تا به طور مشترک به بررسی مفهوم بپردازند. آنها توسعه مفهوم سیستم توان ماهواره ای و برنامه ارزیابی را سازمان دادند.[۵][۶] مطالعه ی گسترده ترین اجرای طرح تا به امروز ادامه داشته است (بودجه ٥٠ میلیون دلار).[۷] چند گزارش بررسی امکان سنجی مهندسی در ارتباط با پروژه منتشر شد. آنها عبارتند از:

نمایی هنری از توان خورشیدی ماهواره ای در محل. مونتاژ یک آنتن انتقال مایکروویو نشان داده شده است.انرژی خورشیدی ماهواره ای که در یک مدار زمین‌هم‌زمان، ٣٦٠٠٠ مایل بالای سطح زمین قرار دارد. ناسا ١٩٧٦
  • منابع مورد نیاز (مواد مورد نیاز، انرژی و قطعات زمین)[۸]
  • مباحث مالی و مدیریت[۹][۱۰]
  • توجیه همگانی[۱۱]
  • قوانین و مقررات ایالتی و محلی به عنوان به کار بردن امکانات آنتن دریافت مایکروویو در سیستم های توان ماهواره ای[۱۲]
  • مشارکت دانشجویان[۱۳]
  • پتانسیل لیزر برای انتقال انرژی در [۱۴]SBSP
  • قرارداد های بین المللی[۱۵][۱۶]
  • تمرکز و عدم تمرکز[۱۷]
  • نقشه برداری از مناطق ممنوعه برای سایت های آنتن تصحیح شونده[۱۸]
  • مسائل اقتصادی و جمعیت شناسی مربوط به گسترش[۱۹]
  • برخی پرسش ها و پاسخ ها[۲۰]
  • تأثیرات هواشناسی در انتشار پرتوهای لیزر و پمپ شدن لیزر خورشیدی مستقیم[۲۱]
  • آزمایش توسعه ی عامه[۲۲]
  • انتقال انرژی و پذیرش خلاصه ی مشخصات فنی و ارزیابی[۲۳]
  • حمل و نقل فضایی[۲۴]

این پروژه با تغییر در دولت های پس از انتخابات فدرال ایالات متحده سال ١٩٨٠ ادامه نیافت.

دفتر ارزیابی فناوری[۲۵] به این نتیجه رسیدند

در حال حاضر در مورد جنبه های فنی، اقتصادی و زیست محیطی در زمینه ی توان خورشیدی ماهواره ای(SPS) شناخت اندکی ایجاد شده تا یک تصمیم واحدی برای ادامه ی رشد و توسعه طرح، اتخاذ شود. علاوه بر این، بدون تحقیق بیشتر اثبات SPS و یا برنامه بررسی سیستم های مهندسی می تواند یک سرمایه گذاری با ریسک بالا باشد.

در سال ١٩٩٧ ناسا مطالعه ای با عنوان " نگاه تازه " انجام داد که در آن امکان سنجی طرح SBSP را در وضعیت مدرن، بررسی می کند.[۲۶] در ارزیابی مطالعه ی وزارت انرژی با عنوان " چه چیزی تغییر کرده "، ناسا اظهار داشت که :

سیاست فضایی ملی ایالات متحده که در این جا برای ناسا نام برده می شود، نیاز به سرمايه گذاري قابل توجهی در زمینه ی فناوری (نه صرفاً یک وسیله نقلیه خاص) است تا هزینه های حمل و نقل گسترده [زمین به مدار] تأمین شود. البته، این مطلب، تنها نیاز انرژی خورشیدی فضایی نیست.

در مقابل، دکتر پیت وردن[پ ۷] ادعا کرد که انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا حدود پنج برابر گران تر از نیروگاه خورشیدی آریزونا[پ ۸] است، هزینه های عمده ی حمل و نقل مواد به مدار هم هست. دکتر وردن به راه حل های ممکن با عنوان سوداگرانه اشاره کرد، عقیده داشت این طرح تا چندین دهه نمی تواند امکان پذیر باشد.[۲۷]

افزایش شدید قیمت نفت، همراه با افزایش آگاهی عمومی دربارهٔ متغیرهای آب و هوا و ترس روزافزون از تخلیهٔ منابع طبیعی، در سال ۲۰۰۷ باعث شد دفتر فضایی امنیت ملی پنتاگون گزارشی صادر کند تا دولت ایالات متحده تشویق شود در طراحی و توسعه سیستم‌های تولید برق از فضا، نقشی پیشرو داشته باشد.

چندین دهه ژاپن تا میلیون‌ها دلار برای مطالعهٔ تولید انرژی از فضا صرف کرده است. آنها قصد دارند در آینده‌ای نزدیک یک آزمون محدود در این زمینه انجام دهند.

شرکت پی جی اند ای[پ ۹] در ایالت کالیفرنیا قصد دارد ظرف ۱۵ سال ۲۰۰ مگاوات تولید کند، برای جمع آوری انرژی خورشیدی سیستم‌های ماهواره‌ای یکپارچه و پس از آن از طریق فرکانس رادیویی به زمین فرستاده می‌شود. این شرکت بزرگ امیدوار است، عملا در سال ۲۰۱۶ این سیستم را شروع کند و در حال حاضر به دنبال به دست آوردن مجوز لازم از مراجع، به داشتن ارتباط با یک شرکت دیگر به نام سولارن[پ ۱۰] برای قرار دادن سیستم در مدار است.

در ٢ نوامبر ٢٠١٢، چین پیشنهاد همکاری فضایی با هند با ذکر طرح SBSP مطرح کرد، "... ممکن است ابتکار توان خورشیدی مبتنی بر فضا، به طوری که هر دو کشور هند و چین می توانند برای مشارکت طولانی مدت با تامین مالی مناسب به همراه دیگر کشور های مایل به هم کاری فضایی، برای انتقال انرژی خورشیدی فضایی به زمین اجرا شود. "[۲۸]

خورشيد[ویرایش]

نوشتارهای اصلی: خورشيد و نور خورشید
اطلاعاتي درباره ي خورشيد:
رده‌بندی ستارگان: G2V
مساحت: ۶٫۰۸۷۷‎×۱۰۱۸ m²
۱۱ ۹۹۰ × زمین[۲۹]
جِرم:۱٫۹۸۹۱ ‎×۱۰۳۰ ک‌گ
۳۳۲ ۹۴۶ زمین[۳۰]
دما
برای سطح (مؤثر):۵ ۷۷۸ K [۳۱]
دما
برای هاله:~۵‎×۱۰۶ K

دما
برای هسته:~۱۵٫۷‎×۱۰۶ K [۳۲]

تحقيقات بر روي خورشيد و كسب اطلاعات جامع درباره ي ميزان انرژي آن و شدت نوري كه از خورشيد به زمين مي تابد، اهميت بسياري در اين پروژه دارد. همواره نخستین منبع انرژی در زمین، نور خورشید بوده‌است. ثابت خورشید مقدار توانی است که خورشید در یکای سطح، در زمین آزاد می‌کند که ارتباط مستقیم با نور سفید دریافتی از خورشید دارد. ثابت خورشید در فاصلهٔ یک واحد نجومی از خورشید (برابر با فاصله‌ای که زمین یا نزدیکی آن تا خورشید دارد) تقریباً برابر با ۱٬۳۶۸ W/m۲ است.[۳۳] نور خورشید با گذر از جو زمین ضعیف تر می‌شود و توان کمتری را به سطح می رساند. در شرایطی که آسمان شفاف، و خورشید نزدیک سرسو باشد، توانی نزدیک به ۱۰۰۰ وات بر مترمربع بدست خواهد آمد.[۳۴] نور خورشید را می توان با کمک فرایندهای طبیعی و ساخت انسان مهار کرد. فرایند نورساخت در اندام‌های گیاهان انرژی نور خورشید را جذب می‌کند و آن را به صورت شیمیایی (اکسیژن و ترکیب‌های کاهش یافتهٔ کربن) آزاد می‌کند. همچنین انرژی انبار شده در نفت خام و سوخت‌های سنگواره‌ای، خود غیر مستقیم به انرژی خورشید و فرایند نورساخت وابسته‌است. علاوه بر روش‌های طبیعی با کمک ابزارهای ساخت انسان هم می توان یا مستقیم از گرمای خورشید بهره برد و یا با کمک سلول‌های خورشیدی، نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبديل کرد.[۳۵]

طراحي[ویرایش]

طراحي SBSP به دو بخش جمع آوري انرژي و انتقال انرژي به زمين تقسيم مي شود. براي طراحي اين سيستم مي توان از طراحي ماهواره ها و ايستگاه هاي فضايي الهام گرفت.

جمع آوري انرژي[ویرایش]

منبع اصلی تغذیه ي ماهواره معمولاً سلولهای خورشیدی هستند. ماهواره در مدار زمین‌هم‌زمان در فضا انرژی خورشیدی را جذب كرده و در باتریها ذخیره مي كند، این باتریها از نوع نیکل -کادمیم هستند.

منبع نیروی الکتریکی ایستگاه فضایی بین‌المللی هم انرژی خورشیدی است. انرژی خورشیدی ابتدا فقط توسط صفحات خورشیدی متصل ایستگاه تامین می‌شود. ایستگاه از جریان برق مستقیم ۲۸ ولتی بهره می‌برند. (سامانه برق فضاپیمای شاتل نیز همینگونه است).

آرایه صفحات خورشیدی دارای طولی معادل ۵۸ متر و سطحی برابر ۳۷۵ متر مربع است. این صفحات با حرکت‌های دورانی و چرخشی، خود را برای گرفتن بیشترین مقدار نور از خورشید تنظیم می‌کنند. پس از توسعه ایستگاه و نصب بخش‌ها و سازه‌های جدید، صفحات خورشیدی متصل به ستون فقرات ایستگاه، با تولید برق مستقیم ۱۳۰ تا ۱۸۰ ولتی، برق مورد نیاز بخش‌های دیگر را با تامین می‌کنند. این برق پس از دریافت از سامانه انرژی خورشیدی، در سراسر ایستگاه با ولتاژ ۱۶۰ ولت (مستقیم) پخش می‌شود و در صورت نیاز به صورت ۱۲۴ ولت (مستقیم) در اختیار فضانوردان قرار می‌گیرد. تبادل نیروی الکتریکی با توان و ولتاژ متفاوت بین بخش‌های مختلف ایستگاه به‌وسیله ترانسفورماتور انجام می‌شود.

در تاریخ ۲۰ مارس ۲۰۰۹ میلادی، قسمت چهارم و نهایی صفحات خورشیدی ایستگاه (حاوی دو بال) با هدایت کنترل‌کننده‌های زمینی باز و آماده کار شدند. به این ترتیب ایستگاه بین‌المللی فضایی، ده سال پس از شروع عملیات مونتاژ، با نصب آخرین صفحات خورشیدی به حداکثر ظرفیت الکتریکی خود دست‌یافت.[۳۶]

انتقال انرژي به زمين[ویرایش]

ماهواره ها انرژي الكتريكي را در فرکانس‌های الکترومغناطیسی به گیرنده‌های روی زمین می‌فرستد پس از دريافت انرژي، آن را به شبكه ي برق منطقه يا شهر انتقال مي دهد. ماهواره هاي مستقر در آن مدار به علت عدم بازتابی و دوری از سایه زمین، سیل پایان ناپذیر و مداوم انرژی الکتریکی تجدید پذیر را در سراسر ساعات شبانه روز به زمین ارسال می‌کند.

سرمايه گذاري و تأمین هزینه[ویرایش]

افزایش عمده هزینه‌ها، مربوط به انتقال تجهیزات و مواد به مدار روی شاتل فضایی است که فضاپیما می‌تواند آن را منتقل کند و ۲۰ هزار دلار به ازای هر کیلوگرم بار است. طرفداران این ایده معتقدند هزینهٔ تولید برق از تابش خورشیدی از فضا قابل تبدیل خواهد بود به منظور کاهش هزینه کلی تحویل تجهیزات و ربات‌ها[پ ۱۱] در این پروژه به کمتر از ۳ هزار و ۵۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم تبدیل خواهد شد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

واژه‌نامه[ویرایش]

  1. Isaac Asimov
  2. Peter Glaser
  3. rectenna
  4. Arthur D. Little
  5. United States Congress
  6. United States Department of Energy, DOE
  7. Pete Worden
  8. Arizona
  9. Pacific Gas and Electric, PG&E
  10. Solaren
  11. Robot

منابع[ویرایش]

  1. [۱]
  2. Glaser, Peter E. (22 November 1968). "Power from the Sun: Its Future" (PDF). Science Magazine 162 (3856): 857–861. 
  3. Glaser, Peter E. (December 25, 1973). "Method And Apparatus For Converting Solar Radiation To Electrical Power". United States Patent 3,781,647. 
  4. Peter Glaser|Glaser, P. E., Maynard, O. E., Mackovciak, J., and Ralph, E. L, Arthur D. Little, Inc., "Feasibility study of a satellite solar power station", NASA CR-2357, NTIS N74-17784, February 1974
  5. Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program July 1977 - August 1980. DOE/ET-0034, February 1978. 62 pages
  6. Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program Reference System Report. DOE/ER-0023, October 1978. 322
  7. Statement of John C. Mankins U.S. House Subcommittee on Space and Aeronautics Committee on Science, Sep 7, 2000
  8. Satellite Power System (SPS) Resource Requirements (Critical Materials, Energy, and Land). HCP/R-4024-02, October 1978.
  9. Satellite Power System (SPS) Financial/Management Scenarios. Prepared by J. Peter Vajk. HCP/R-4024-03, October 1978. 69 pages
  10. Satellite Power System (SPS) Financial/Management Scenarios. Prepared by Herbert E. Kierulff. HCP/R-4024-13, October 1978. 66 pages.
  11. Satellite Power System (SPS) Public Acceptance. HCP/R-4024-04, October 1978. 85 pages.
  12. Satellite Power System (SPS) State and Local Regulations as Applied to Satellite Power System Microwave Receiving Antenna Facilities. HCP/R-4024-05, October 1978. 92 pages.
  13. Satellite Power System (SPS) Student Participation. HCP/R-4024-06, October 1978. 97 pages.
  14. Potential of Laser for SPS Power Transmission. HCP/R-4024-07, October 1978. 112 pages.
  15. Satellite Power System (SPS) International Agreements. Prepared by Carl Q. Christol. HCP-R-4024-08, October 1978. 283 pages.
  16. Satellite Power System (SPS) International Agreements. Prepared by Stephen Grove. HCP/R-4024-12, October 1978. 86 pages.
  17. Satellite Power System (SPS) Centralization/Decentralization. HCP/R-4024-09, October 1978. 67 pages.
  18. Satellite Power System (SPS) Mapping of Exclusion Areas For Rectenna Sites. HCP-R-4024-10, October 1978. 117 pages.
  19. Economic and Demographic Issues Related to Deployment of the Satellite Power System (SPS). ANL/EES-TM-23, October 1978. 71 pages.
  20. Some Questions and Answers About the Satellite Power System (SPS). DOE/ER-0049/1, January 1980. 47 pages.
  21. Satellite Power Systems (SPS) Laser Studies: Meteorological Effects on Laser Beam Propagation and Direct Solar Pumped Lasers for the SPS. NASA Contractor Report 3347, November 1980. 143 pages.
  22. Satellite Power System (SPS) Public Outreach Experiment. DOE/ER-10041-T11, December 1980. 67 pages.
  23. http://www.nss.org/settlement/ssp/library/1981NASASPS-PowerTransmissionAndReception.pdf "Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program: Power Transmission and Reception Technical Summary and Assessment" NASA Reference Publication 1076, July 1981. 281 pages.
  24. Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program: Space Transportation. NASA Technical Memorandum 58238, November 1981. 260 pages.
  25. Solar Power Satellites. Office of Technology Assessment, August 1981. 297 pages.
  26. A Fresh Look at Space Solar Power: New Architectures, Concepts, and Technologies. John C. Mankins. International Astronautical Federation IAF-97-R.2.03. 12 pages.
  27. "Dr. Pete Worden on thespaceshow". thespaceshow.com. 23 March 2009. 
  28. [۲]
  29. http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Object=Sun&Display=Facts&System=Metric
  30. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html
  31. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html
  32. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html
  33. "Construction of a Composite Total Solar Irradiance (TSI) Time Series from 1978 to present". Retrieved 2005-10-05. 
  34. El-Sharkawi, Mohamed A. (2005). Electric energy. CRC Press. pp. 87–88. ISBN 978-0-8493-3078-0. 
  35. Phillips, Kenneth J. H. (1995). Guide to the Sun. انتشارات دانشگاه کمبریج. pp. 319–321. ISBN 978-0-521-39788-9. 
  36. صفحات خورشیدی ایستگاه فضایی گشوده شد (بی‌بی‌سی فارسی)
  • ویکی‌پدیای انگلیسی[۳]
  • ویکی‌پدیای عربی[۴]