AURINKOENERGIAA AVARUUDESTA

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "AURINKOENERGIAA AVARUUDESTA"

Teemu Lahtinen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 RISS AURINKOENERGIAA AVARUUDESTA Pentti O A Haikonen Adjunct Professor University of Illinois at Springfield

2 Aurinkoenergiasatelliitin tekninen perusta Auringon säteilyn tehotiheys maapallon etäisyydellä on n. 1.4 kw/m 2 Maanpinnalla ilmakehän vaimentama täysi teho saadaan vain keskipäivällä kirkkaalla ilmalla päiväntasaajalla. Yöllä ei saada mitään. Tältä kannalta avaruuteen sijoitetut aurinkokennot ovat paremmassa asemassa. Sijoitetaan siis aurinkokennot avaruuteen ja siirretään energia alas mikroaaltosäteellä!

päiväntasaajalla. Yöllä ei saada mitään.

3 Aurinkoenergiasatelliitin periaate Satelliitti sijoitetaan geostationääriselle radalle Satelliitin aurinkokennot muuntavat valon sähköksi Saatu tasavirta muunnetaan mikroaaltoenergiaksi Mikroaaltoenergia suunnataan antennilla vastaanottoalueelle maapallolla Vastaanottoalueella mikroaaltoenergia vastaanotetaan antennilla Vastaanotettu virta tasasuunnataan Tasavirta muunnetaan jakeluverkkoon sopivaksi

Mikroaaltoenergia suunnataan antennilla vastaanottoalueelle maapallolla Vastaanottoalueella

4 Aurinkovoimasatelliittisysteemi

5 Osaluettelo Satelliitti: Aurinkokennot Aurinkokennojen kääntömoottorit Mikroaaltogeneraattorit Lähetysantenni Vastaanotin: Vastaanottoantenni ja tasasuuntaajat DC/AC konvertteri

6 Mikroaaltogeneraattorin hyötysuhde Käytännön hyötysuhde on luokkaa 85 %

7 Mikroaaltotasasuuntauksen hyötysuhde Käytännössä antennin sieppaamasta energiasta saadaan jopa 80 90% sähköenergiaksi

8 Suunnitellaan oma aurinkovoimasatelliitti! (mutkat suoraksi periaatteella) Lähtövaatimus: 10 GW mikroaaltoteho Oletetaan mikroaaltogeneraattorin hyötysuhteeksi 85 % Oletetaan johdinhäviöiksi 5 % Vaadittava DC-teho on: 10/0.8 = 12.5 GW Magnetronien määrä: kW/5kW = kpl

Oletetaan mikroaaltogeneraattorin hyötysuhteeksi 85 % Oletetaan

9 Aurinkokennot Aurinkokennojen pinta-ala: Oletetaan aurinkokennojen hyötysuhteeksi heikentymisvara mukaanlukien 10 % Tällöin aurinkokennojen pinta-ala on: 10 * 12.5 * 10 6 kw/1.4 kw/m 2 = n. 90 km 2 (kääntömoottoriongelmia!)

mukaanlukien 10 % Tällöin aurinkokennojen pinta-ala on:

10 Oma aurinkovoimasatelliitti Vaadittava lähetysantennin vahvistus: vastaanottoalueen pinta-ala = 50 km 2 (sovittu) vastaanottoantennin etäisyys km Lähetysantennin vahvistus määräytyy keilakulmasta: G = 4π /50 = 3.26*10 8 = 85 db

vastaanottoantennin etäisyys 36 000 km Lähetysantennin

11 Lähetysantennin koko 85 db vastaa n. 680 m halkaisijan paraboloidiantennia; epäkäytännöllinen! Oletetaan siis, että lähetysantenni koostuu 7 db elementeistä, joiden etäisyys toisistaan on λ. Tarvittava elementtien lukumäärä on: n = 2 (85-7)/3 = kpl (antennin vahvistus kasvaa 3 db aina kun elementtien määrä kaksinkertaistuu) Lähetystaajuus on 2450 MHz eli λ = m Antennin pinta-ala A = n*λ 2 = * = 1 km 2

Tarvittava elementtien lukumäärä on: n = 2 (85-7)/3 = 67 108 864 kpl (antennin vahvistus kasvaa 3 db aina kun

12 Vastaanottoantenni Koostuu elementeistä, esim. puoliaaltodipoli ja heijastin, aallonpituuden päässä toisistaan. Vastaanottoalueen pinta-ala 50 km 2 eli 7.1 km x 7.1 km Elementtien lukumäärä: (7100 m/ λ ) 2 = (7100/ ) 2 = kpl

toisistaan. Vastaanottoalueen pinta-ala 50 km 2 eli 7.

13 Satelliitin paino Arvioidaan satelliitin paino: Aurinkokennot 0.5 kg/m 2 W 1 = 90 km 2 *0.5 kg/m 2 = tonnia Magnetronit 1 kg/kpl W 2 = * 1 kg = 2500 tonnia Mikroaaltoantenni 2.5 kg/m 2 W 3 = 1 km 2 * 2.5 kg/m 2 = 2500 tonnia Yhteensä W 1 + W 2 + W 3 = tonnia

5 kg/m 2 = 45 000 tonnia Magnetronit 1 kg/kpl W 2 = 2 500 000* 1 kg =

14 Aurinkoenergiasatelliittien vertailu PHa Boeing Raytheon satelliitin teho 10 GW 10 GW 10 GW satelliitin paino t t t aurinkokennojen 90 km km 2 97 km 2 pinta-ala lähetysantennin 1 km km km 2 pinta-ala (1 x 1 km 2 ) (0.89 x 0.89 km 2 ) (0.89 x 0.89 km 2 ) vastaanotto- 50 km 2 96 km km 2 antennin pinta-ala (7 x 7 km 2 ) (10 x 10 km 2 ) (6.6 x 6.6 km 2 ) intensiteetti 200 W/m W/m W/m 2 vast. ant. keskellä

785 km 2 pinta-ala (1 x 1 km 2 ) (0.89 x 0.89 km 2 ) (0.89 x 0.89 km 2 ) vastaanotto- 50 km 2 96 km 2 43.

15 Tavarat taivaalle ARIANE 5 ECA nostaa geostationääriradalle 10 tonnia. Tarvittava lentojen määrä on /10 =5000 kpl Lento/päivä 14 vuoden ajan.

16 Mitä se maksaa? Aurinkokennot, hinta 1 $/nimelliswatti 12,5 GW = $ = 12,5 miljardia USD Magnetronit, 10 $ kpl * = 25 miljoonaa USD Vastaanottoantenni 0,5 $/elementti * 0,5 $ = 1,7 miljardia USD Ariane 5 lento GEO radalle maksaa n $ 5000 lentoa = $= 600 miljardia USD Vertailun vuoksi vihreä vaihtoehto: Ydinenergia 2000 $/ 1 kw (General Electric 1997) 10 GW = 20 miljardia USD

2500 000 = 25 miljoonaa USD Vastaanottoantenni 0,5 $/elementti 3 364 758 200 * 0,5 $ = 1,7 miljardia USD

17 Aurinkoenergiaa kuusta? Halpaa sähköä mikroaalloilla kuusta, esittää prof. David R. Criswell Houstonin yliopistosta. (Tiede no 2, 2009)

18 Aurinkoenergiaa kuusta? Nerokas ajatus vai kuuhulluutta? Edut: Ei ilmakehää Aina sama puoli maata kohti Vakaa alusta suurillekin rakenteille Osa materiaalista paikanpäältä

19 Lähetysantenni kuussa Vaadittava lähetysantennin vahvistus: vastaanottoalueen pinta-ala = 100 km 2 vastaanottoantennin etäisyys km vahvistus määräytyy keilakulmasta: G = 4π /100 = 1.85*10 10 = 100 db (Criswell) Oletetaan, että lähetysantenni koostuu 7 db elementeistä, joiden etäisyys toisistaan on λ. Tarvittava elementtien lukumäärä on: n = 2 (100-7)/3 = kpl Lähetystaajuus on 2450 MHz eli λ = m Antennin pinta-ala A = nλ 2 = * = 321 km 2 (18 km x 18 km)

85*10 10 = 100 db (Criswell) Oletetaan, että lähetysantenni koostuu 7 db elementeistä, joiden etäisyys toisistaan on λ.

20 Vain pieniä ongelmia Kuu olisi edullinen paikka aurinkovoimalalle jos: Maan pyörimisliike saadaan pysäytettyä, jotta vastaanottoantenni olisi vakiopaikalla. Kuu saadaan tuotua vähän lähemmäksi maata. (Tarvittava lähetysantennin vahvistus pienemmäksi) Kuun ja maan liike auringon ympäri saadaan niin järjestettyä, että kuussa ei ole vuorokausivaíhtelua samalla kun kuu kuitenkin pitäisi saman puolen kohti maata.

(Tarvittava lähetysantennin vahvistus pienemmäksi) Kuun ja maan liike auringon ympäri saadaan niin

21 Ongelmat ratkaistu? Tämähän on helppoa; heijastimia maan ja kuun kiertoradoilla Pitää vain saada heijastimet pysymään oikeilla paikoilla, kuukin liikkuu! Lähetysantennin vahvistuskerroinvaatimus kasvaa, kun siirtomatka kasvaa heijastinta käytettäessä!

22 Ekologisia vaikutuksia On laskettu, että 10 GW mikroaaltosäde nostaisi ionosfäärin lämpötilan paikallisesti 75 asteesta asteeseen. Mitä tästä seuraa ei ole tarkkaan tiedossa. Veikkaan, että ionosfääri haihtuisi, mutta kuka sitä kaipaa. (MSN March 1978 s. 38) Luokkaa 200W/m 2 mikroaaltoteho lämmittää jo mukavasti sisuskaluja, vrt. mikroaaltouuni. Olisi toivottavaa, että lähetysantennin suunta säilyisi eikä säde osuisi asutuille alueille.

23 Käryä taivaalle Ariane 5 carries a propellant load of metric tons of liquid oxygen and metric tons of liquid hydrogen to feed the stage's Vulcain main engine. 158 tons H 2 O Ariane 5 utilizes two solid boosters, each with metric tons of propellant. The propellant is a mix of 68 percent ammonium perchlorate (oxidizer), 18 percent aluminum (fuel), and 14 percent polybutadiene (binder).

24 Kiitos mielenkiinnostanne!

Samankaltaiset tiedostot

Radioyhteys: Tehtävien ratkaisuja. 4π r. L v. a) Kiinteä päätelaite. Iso antennivahvistus, radioaaltojen vapaa eteneminen.

Radioyhteys: Tehtävien ratkaisuja. 4π r. L v. a) Kiinteä päätelaite. Iso antennivahvistus, radioaaltojen vapaa eteneminen. 1S1E ietoliikenteen perusteet Metropolia/A. Koivumäki adioyhteys: ehtävien ratkaisuja 1. Langatonta laajakaistaa tarjoavan 3.5 GHz:n taajuudella toimivan WiMAX-verkon tukiaseman lähettimen lähetysteho