Pytanie:
Jak daleko od Słońca można wykorzystać energię słoneczną jako niezawodne źródło energii?
JohnB
2013-07-22 15:35:33 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Sondy kosmiczne skierowane w najdalsze zakątki naszego Układu Słonecznego wykorzystują do zasilania radioizotopowe termoelektryczne generatory ( Cassini – Huygens, Voyager 1, Voyager 2).

Prawdopodobnie dzieje się tak dlatego, że energia słoneczna jest niewykonalna na dużych odległościach od Słońca. Przy obecnej dostępnej technologii, co jest uważane za „bezpieczną strefę”, w której panele słoneczne mogą być używane jako niezawodne źródło zasilania statku kosmicznego?

Korzystając z naszej obecnej technologii lub zakładając, że uda nam się wykorzystać w 100% wszystko, co osiągnęło określoną odległość?
@RhysW najlepiej wykorzystując naszą obecną technologię, nie zakładając teoretycznej perfekcji. Zaktualizuję moje pytanie
Zobacz także [* to pytanie związane z bezpieczeństwem RTG i alternatywami dla eksploracji zewnętrznego układu słonecznego *] (http://space.stackexchange.com/questions/17/are-there-any-safe-to-launch-alternatives-to- rtgs-for-external-solar system explor).
Zobacz także [* to pytanie dotyczące skoncentrowanej energii słonecznej *] (http://space.stackexchange.com/questions/110/what-is-the-status-of-concentrated-solar-energy-cse-in-space-exploration ).
Powiązane: http://physics.stackexchange.com/questions/36041/how-far-from-the-sun-is-a-photovoltaic-effective
Dwa odpowiedzi:
#1
+12
gerrit
2013-07-22 16:32:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Istnieją co najmniej dwa problemy z ogniwami słonecznymi (nie biorąc pod uwagę koncentratorów) w zewnętrznym Układzie Słonecznym: niska moc słońca i niska temperatura ogniw.

W przypadku misji Cassini na Saturnie (9–10 jednostek astronomicznych od Słońca) NASA zbadała alternatywę dla Słońca. Obliczyli wymaganą powierzchnię i doszli do wniosku, że masa wymaganych paneli słonecznych spowodowałaby powstanie statku kosmicznego o masie przekraczającej wszystko, co można by wystrzelić przy użyciu istniejącej technologii, i poważnie utrudniłby manewrowość. Doszli do wniosku, że byłoby to możliwe, ale koszt naukowy byłby zbyt wysoki:

Na podstawie Oświadczenia Cassini o wpływie na środowisko, rozdział 2, strona 2-53 i dalsze. Dla jednej alternatywnej konfiguracji

Dodanie tablicy o takiej wielkości, w połączeniu z innymi modyfikacjami wymaganymi do wprowadzenia energii słonecznej, zwiększyło suchą masę statku kosmicznego o 1337 kg (2948 funtów). Przy masie paliw, sondy Huygens Probe i adaptera wyrzutni, całkowita masa statku kosmicznego wzrosłaby do 7228 kg (15935 funtów), znacznie przekraczając pojemność startową Titan IV (SRMU) / Centaur wynoszącą 6234 kg (13743 funtów). ) dla trajektorii do Saturna (JPL 1994a).

lub, dla innego,

Aby jeszcze bardziej zmniejszyć rozmiar tablic, dostępna moc do instrumentów naukowych została zmniejszona o 50 procent. Ze względu na duży moment bezwładności utworzony 2 przez duże panele słoneczne (397 m² [4269 ft²] i 585 kg [1290 funtów]) (JPL 1994a), czas potrzebny do skrętu i manewrowania statkiem kosmicznym podczas jego eksploracji układu Saturna wzrośnie od 4 do 18 razy w porównaniu z kompaktowym statkiem kosmicznym napędzanym RTG. Wynikający z tego wpływ na cele naukowe misji byłby poważny i obejmowałby wydłużenie czasu tworzenia mozaik obrazu, nieodpowiednie prędkości obrotowe pól i instrumentów cząstek, zmniejszony obraz rozdzielczość ze względu na niewystarczającą kompensację ruchu celu, utratę czasu obserwacji instrumentu podczas zakrętów w celu komunikowania się z Ziemią i niewystarczające prędkości obrotowe do obsługi radarowej obserwacji zakrytej chmurami powierzchni Tytana.

Niedawno dwie misje na Jowisz (4,9–5,5 jednostki astronomicznej od Słońca) wykorzystują panele słoneczne: Juno NASA pływa obecnie (w 2013 r.) na Jowisz, a planowane jest przybycie w sierpniu 2016 r. ESA Juice jest wystrzelenie w 2022 r. Oba wykorzystują fotowoltaikę i są jak dotąd najbardziej oddalonymi statkami kosmicznymi.

Jest jeszcze jeden niefortunny aspekt tej historii. Polityka i finansowanie. Podczas projektowania misji * wybierzesz * RTG w wielu przypadkach w kierunku Jowisza i nie tylko. Zalety są przytłaczające. Jednak finansowanie nie zawsze na to pozwala. Juno korzysta z paneli słonecznych, aby * oszczędzać pieniądze *. Zapomnij o inżynierii. Poza tym misje ESA nie pozwalają na RTG. To jakiś szalony bałagan polityczny w Europie, więc do spraw kosmicznych ESA zawsze użyje czegoś innego. W przypadku Juice ponownie nie ma technicznego uzasadnienia tej decyzji.
@ernestopheles Dlaczego koszt nie jest skomplikowanym aspektem planowania misji? I są dobre powody, dla których ESA nie zezwala na RTG; [Plutonium nie jest zabawne] (http://space.stackexchange.com/q/17/33). Mars '86 nadal gnije gdzieś w Andach wraz z wysoce toksycznym plutonem, a jeśli wypadek, który ostatnio miał miejsce z rakietą Proton z Glonassem, zdarzy się, gdy na pokładzie jest 5 kg plutonu, koszty oczyszczania są ogromne i kto wie jak wiele osób choruje na raka. Oświadczenia NASA EIS powiązane w pytaniu, do którego utworzyłem łącze, zawierają więcej szczegółów.
Oczywiście można omówić zalety i wady, a RTG z pewnością ma zalety inżynieryjne. Ale nie zgadzam się, że nie ma * żadnego * technicznego uzasadnienia. Bezpieczeństwo to kwestia techniczna. Wybór równowagi między kosztami, bezpieczeństwem, zaletami naukowymi itp. Jest ostatecznie polityczny, ale aspekty inżynieryjne, takie jak przedstawione w EIS NASA, są istotne.
Z etycznego punktu widzenia zgadzam się. Z technicznego punktu widzenia jestem jednym z tych, którzy „lobbują” za zezwoleniem na RTG w misjach ESA, kiedy tylko mogę. Wiem, że to trochę dziwne. Bezpieczeństwo też jest problemem, ale bardziej dotyczy wyrzutni i ludzi wykonujących swoją pracę dobrze. To zdecydowanie najlepsza dostępna technologia, więc dlaczego by z niej nie skorzystać, zaryzykować i zająć się nią profesjonalnie? (Myślę, że powinniśmy usunąć tę dyskusję z tego miejsca ...)
Bardzo chciałbym zobaczyć dobrze udokumentowaną odpowiedź na [to istotne pytanie] (http://space.stackexchange.com/q/24/33)!
#2
+8
mins
2015-01-16 04:22:54 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Prawdopodobnie dzieje się tak dlatego, że energia słoneczna nie jest możliwa przy dużych odległościach od Słońca.

Istnieje możliwość wykorzystania energii słonecznej, o ile tablice otrzymują odpowiednią ilość energii większej niż poziom roboczy ogniwa fotowoltaicznego. Obejmuje to cały układ słoneczny. Użyteczność ogniw słonecznych przy niskiej intensywności stale się poprawia.

Ale racja ... możliwość zebrania tylko bardzo małej ilości energii na razie nie wystarczy do zasilania jakiejkolwiek sondy kosmicznej.


Przy obecnym dostępnej technologii, co jest uważane za „bezpieczną strefę”, w której panele słoneczne mogą być używane jako niezawodne źródło zasilania statku kosmicznego?

Energię potrzebną do wykonania danej misji można uzyskać dostosowując rozmiar paneli słonecznych, ale ta regulacja ma górną granicę. Innym sposobem jest użycie wydajniejszych komórek:

Z Wikipedii:

enter image description here
Większy obraz.

„Sprawności ogniw mierzy się w standardowych warunkach testowych (STC), chyba że określono inaczej. STC określa temperaturę 25 ° C i natężenie napromienienia 1000 W / m² przy masie powietrza 1,5 (AM1. 5) widmo. [...] Przedstawia południe słoneczne w pobliżu równonocy wiosennej i jesiennej w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych z powierzchnią komórki skierowaną bezpośrednio na Słońce. ”

Komórki działają na zewnątrz STC bardzo dobrze, gdy tylko warunki pracy zostaną uwzględnione w projekcie:

„Wewnętrzne misje planetarne i misje badania słońca w kilku promieniach słonecznych wymagają paneli słonecznych zdolnych do wytrzymania temperatur powyżej 450 ° C i działające przy wysokich intensywnościach słonecznych (HIHT). Zewnętrzne misje planetarne wymagają paneli słonecznych, które mogą działać przy niskiej intensywności słonecznej i niskich temperaturach (LILT). Oprócz misji bliskich słońcu, misje na Jowisz i jego księżyce również wymagają paneli słonecznych, które są odporne na wysokie poziomy promieniowania. ” (źródło: Space Solar Cells and Arrays - Bailey, Raffaelle)

Istnieją również różne możliwości skoncentrowania światła na ogniwach, aby zapobiec degradacji wydajności przy niskim natężeniu i uzyskać więcej energii z tego samego obszaru ogniwa:

Praktyczna użyteczność paneli słonecznych w kosmosie

Ogólnie rzecz biorąc, to badanie NASA (2007) zakłada, że ​​panele słoneczne są praktycznie użyteczne na orbicie Jowisza (5,2 jednostki astronomicznej, produkty Ultraflex), a Saturn (10 AU) będzie możliwa do osiągnięcia w najbliższym czasie.

enter image description here
(Misja Juno dla Jowisza)

„Krótkoterminowe macierze Ultraflex i stan- art komórki wielozłączowe mogą zapewniać możliwość wykonywania misji o niskim poborze mocy (200–300 W) do 10 jednostek astronomicznych. ”

Należy jednak wziąć pod uwagę kilka czynników.


Rozmiar paneli słonecznych

Ilość energii odebranej w pewnej odległości od Słońca zależy od prawa odwrotności kwadratów. Zobacz to pytanie w Physics.SE, aby uzyskać więcej informacji:

„PV działa świetnie w pobliżu Ziemi, w odległości 1 AU od Słońca, gdzie otrzymujemy około 1400 watów na metr kwadratowy [...] Na Saturnie, prawie 10 jednostek AU od Słońca, jest 1/100 mocy. Dobrze, jeśli statek kosmiczny przenosi panele słoneczne 100 razy większe niż byłyby używane w pobliżu Ziemi. ” - Dla Misja Juno: „Jego planarna macierz o powierzchni 45 m² wytwarza 9,6 kW BOL przy 1 AU i 414 W przy 5,5 AU”

BOL / początek życia: Wydajność ogniw zmniejsza się wraz z upływem czasu, ponieważ są one narażone na promieniowanie (protony, UV, IR itp.).

Pierwszy problem dotyczy rozmiaru macierzy, aby dostarczyć potrzebną energię elektryczną, oraz tego, czy statek kosmiczny może pomieścić taki rozmiar czy nie.

Zaćmienie

Statek kosmiczny krążący na orbicie wokół ciała niebieskiego nie otrzyma światła słonecznego, gdy znajduje się za tym ciałem. Wymagany jest pewien średni magazyn energii.

enter image description here
(Źródło: Britannica)

Planetarne albedo

Ciało niebieskie może odbijać światło słoneczne do matryc sondy, zwiększając produkcję energii.

Odporność tablic

Macierze mogą zostać zniszczone podczas startu lub na orbicie przez gruz. Gdy stają się większe, ich solidność jest trudna do utrzymania bez dodawania masy do systemu.

Koszt uruchomienia

Im większa wymagana energia lub Im dalej statek kosmiczny od Słońca, tym droższe macierze ze względu na ich rozmiar. Wpływ na koszt uruchomienia ma również odpowiednia zmiana masy.

W pewnym momencie inne źródła energii staną się tańsze w budowie i uruchomieniu.

Maksymalny prąd wyjściowy

Jeśli misja ma zapotrzebowanie na większy prąd, niż są w stanie wytworzyć tablice, i nie nadaje się do zwiększania rozmiaru tablic, wówczas energia musi być magazynowana w tempie, w jakim macierz może ją dostarczyć, a następnie zużyta z wyższą wymaganą szybkością, aż do wyczerpania baterii, a następnie poczekaj, aż bateria zostanie ponownie naładowana.

Praca nieciągła może być akceptowalna lub nie. Ponadto efektywność baterii spada z czasem, a pył lub paliwo mogą osłabiać promieniowanie słoneczne. Długie misje mogą nie być w stanie rozwiązać tych problemów.



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...