RISS 16. 9. 2009 AURINKOENERGIAA AVARUUDESTA Pentti O A Haikonen Adjunct Professor University of Illinois at Springfield
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!
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
Aurinkovoimasatelliittisysteemi
Osaluettelo Satelliitti: Aurinkokennot Aurinkokennojen kääntömoottorit Mikroaaltogeneraattorit Lähetysantenni Vastaanotin: Vastaanottoantenni ja tasasuuntaajat DC/AC konvertteri
Mikroaaltogeneraattorin hyötysuhde Käytännön hyötysuhde on luokkaa 85 %
Mikroaaltotasasuuntauksen hyötysuhde Käytännössä antennin sieppaamasta energiasta saadaan jopa 80 90% sähköenergiaksi
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: 12500 000kW/5kW = 2 500 000 kpl
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!)
Oma aurinkovoimasatelliitti Vaadittava lähetysantennin vahvistus: vastaanottoalueen pinta-ala = 50 km 2 (sovittu) vastaanottoantennin etäisyys 36 000 km Lähetysantennin vahvistus määräytyy keilakulmasta: G = 4π36000 2 /50 = 3.26*10 8 = 85 db
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 = 67 108 864 kpl (antennin vahvistus kasvaa 3 db aina kun elementtien määrä kaksinkertaistuu) Lähetystaajuus on 2450 MHz eli λ = 0.1224 m Antennin pinta-ala A = n*λ 2 = 67 108 864 * 0.1224 2 = 1 km 2
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/ 0.1224 ) 2 = 3 364 758 200 kpl
Satelliitin paino Arvioidaan satelliitin paino: Aurinkokennot 0.5 kg/m 2 W 1 = 90 km 2 *0.5 kg/m 2 = 45 000 tonnia Magnetronit 1 kg/kpl W 2 = 2 500 000* 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 = 50 000 tonnia
Aurinkoenergiasatelliittien vertailu PHa Boeing Raytheon satelliitin teho 10 GW 10 GW 10 GW satelliitin paino 50 000 t 100 000 t 25 000 t aurinkokennojen 90 km 2 100 km 2 97 km 2 pinta-ala lähetysantennin 1 km 2 0.785 km 2 0.785 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 43.5 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 2 230 W/m 2 870 W/m 2 vast. ant. keskellä
Tavarat taivaalle ARIANE 5 ECA nostaa geostationääriradalle 10 tonnia. Tarvittava lentojen määrä on 50 000/10 =5000 kpl Lento/päivä 14 vuoden ajan.
Mitä se maksaa? Aurinkokennot, hinta 1 $/nimelliswatti 12,5 GW = 12 500 000 000 $ = 12,5 miljardia USD Magnetronit, 10 $ kpl * 2500 000 = 25 miljoonaa USD Vastaanottoantenni 0,5 $/elementti 3 364 758 200 * 0,5 $ = 1,7 miljardia USD Ariane 5 lento GEO radalle maksaa n. 120 000 000 $ 5000 lentoa = 600 000 000 000 $= 600 miljardia USD Vertailun vuoksi vihreä vaihtoehto: Ydinenergia 2000 $/ 1 kw (General Electric 1997) 10 GW = 20 miljardia USD
Aurinkoenergiaa kuusta? Halpaa sähköä mikroaalloilla kuusta, esittää prof. David R. Criswell Houstonin yliopistosta. (Tiede no 2, 2009)
Aurinkoenergiaa kuusta? Nerokas ajatus vai kuuhulluutta? Edut: Ei ilmakehää Aina sama puoli maata kohti Vakaa alusta suurillekin rakenteille Osa materiaalista paikanpäältä
Lähetysantenni kuussa Vaadittava lähetysantennin vahvistus: vastaanottoalueen pinta-ala = 100 km 2 vastaanottoantennin etäisyys 384 000 km vahvistus määräytyy keilakulmasta: G = 4π384000 2 /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 = 2 147 483 648 kpl Lähetystaajuus on 2450 MHz eli λ = 0.1224 m Antennin pinta-ala A = nλ 2 = 2 147 483 648 * 0.1224 2 = 321 km 2 (18 km x 18 km)
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.
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!
Ekologisia vaikutuksia On laskettu, että 10 GW mikroaaltosäde nostaisi ionosfäärin lämpötilan paikallisesti 75 asteesta + 750 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.
Käryä taivaalle Ariane 5 carries a propellant load of 132.27 metric tons of liquid oxygen and 25.84 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 237.8 metric tons of propellant. The propellant is a mix of 68 percent ammonium perchlorate (oxidizer), 18 percent aluminum (fuel), and 14 percent polybutadiene (binder).
Kiitos mielenkiinnostanne!