太空中的太阳能：电力卫星

电力卫星是自1960年代后期以来一直存在的一种想法，但由于我们不知道如何构建廉价的太空运输系统，因此尚未商业化开发。至少在理论上，这种情况最近可能已经改变。

几十年来，我们已经知道太阳能卫星可以将能量发送到地球。通讯卫星每天都会这样做，只是没有达到有用的水平。电力卫星可以根据人类的需求进行缩放； G。哈里·斯坦因（Harry Stein）在1980年代的一项计算指出，地球同步轨道上有177 TW的空间（目前能量消耗的十倍以上）。

其概念是在空间中（热或光伏）产生电能，将电能转换为微波，将微波发射到地球，然后在“整流天线”处将其转换回电能。整流天线是简单的（尽管很大）结构，可以阻挡很少的阳光，因此打算将其放置在几百公里的城市内的农田上。

太阳能人造卫星的最大障碍是在太空中放置必要硬件的成本。假设我们在10年期间内摊销了总成本，那么当前职位所做的工作是描述一种降低将材料放入太空的成本的方法，以使电力卫星的能源可以与煤炭竞争（每千瓦时2美分）。

介绍

电力卫星将太阳光（通过光伏或热循环）转换为电能，然后将其转换为发射到地面的微波，再转换回电能。

电力卫星是一种收集稀薄太阳能的方法，与地面或屋顶上的太阳能PV相比，它具有以下几个优点：

•动力卫星系统可满足人类文明的需求（数十TW）。由于其•位置（24小时轨道，地球同步或GEO）的位置有99％的时间被照亮，因此它们不需要存储。卫星电视天线指向该轨道上的某个位置）•没有昼夜周期，也没有云层或空气给电力卫星提供的平均优势是地面上太阳能收集器相同区域的九倍左右。电力卫星使•用的材料相对较少。处于轨道（零重力）并且没有风，它们每千瓦的能量要比收集地面上的阳光轻得多。•它们的能量回收时间非常短。

但是，它们有一些缺点：

•出于光学原因，它们无法缩小为小尺寸； 5 GW大约相当于您要制造的小。在空间电•耗比地面电低50％的情况下，成本是原来的两倍。每千瓦时的百分之二。另一方面，这比在相同距离上通过电线传输相同功率的成本低40倍。他们花•费大量投资才能将零件运输到GEO的成本降低到他们认为有经济意义的地方。

使空间太阳能经济的成本要求

太空太阳能项目值得做吗？我们需要进行成本/收益分析以找出答案。

对于十年的资本回报率，以每千瓦时1便士的价格出售一千瓦的电力可产生800美元的收入（十年内约80,000收入小时）。每千瓦时2美分大约是取代煤炭可以出售的最大电力。这意味着，如果要实现此目标，一千瓦的功率卫星容量成本不会超过1600美元或每GW 1.6B。

如果电力卫星需要5公斤的零件在地面上产生kW，并且运输比例约为1/3，那么将零件举升到GEO的成本就不会超过$ 100 / kg。这比将通信卫星交付给GEO的当前成本减少了200到1（每公斤20,000美元，降至100美元）。

总部位于东京的太空与国防政策咨询公司Excalibur KK的首席执行官吉田博（Hiroshi Yoshida）和位于华盛顿州埃弗里特（Everett）的PowerSat Corp.首席执行官William Maness都认为这将花费这种运输成本减少动力卫星与其他动力源的竞争。

常规火箭

我们能用常规火箭达到这种提升成本吗？

不幸的是，出于几个原因，答案是否定的。火箭燃料中的化学能与到达轨道所需的能量相比还不够。使用化学燃料的火箭技术已达到性能极限。最有前途的设计是Falcon Heavy（SpaceX的提议），首次发射定于2012年进行，每趟成本为1亿美元。预计火箭将在地球表面上方的低地球轨道（190公里）中放置53吨，或在36,000公里的地球静止轨道中放置19.5吨。降低到每公斤$ 4000，比目前的火箭低五倍，但还不够。每小时发射一枚Falcon Heavy可能会使价格降至$ 1000 / kg，这仍然太高了十倍。

反应发动机公司开发了一种称为“ Skylon”的火箭飞机，旨在对常规火箭进行改进。

图1 –反应发动机建议的火箭飞机（来源）

React Engine对Skylon的研究表明，它将投入12吨LEO或（第二阶段）5吨GEO的成本为150万美元或300美元/千克。该项目的目标是开发一种无人驾驶的太空飞机，该飞机可以重复使用200-500次。每公斤的预期成本取决于每年的飞行速度：

图2 – Skylon特定发射价格与飞行速度的关系（来源：图10来自太阳能卫星和太空飞机

不幸的是，成本仍然太高了三倍。而且，每小时的飞行速度需要几个小时才能使成本降低。我们是否走运，太阳能将永远流过地球？不必要。

Skylon次轨道加激光推进

这里提出的新概念是将Skylon次轨道的最大负载用于30吨的第二阶段（请参阅附录：进入轨道-下方的“侧面”，还有Wikipedia-Multistage Rocket）。第二阶段的推进是通过一个（相对较小的）500 MW地基激光器阵列将氢加热到3000 degK。

图3 – Jordin Kare HX Laser Launch的示意图：轮船时间

具有地面激光器的系统的功能如下：

•激光束在第二阶段释放点以东3500公里处到达地球同步轨道上的跟踪镜阵列。•地面激光器指向反射镜，该反射镜在11度范围内跟踪加速的激光驱动的第二级。（后视镜在16分钟内移动5.5度）.3000•度K下的氢使第二级排气速度达到10km / s。对于约1.65的质量比，此速度约为所需增量V的两倍。

在该系统中，每趟航班将有18-20吨30吨的飞机到达地球静止轨道。当每年散布480,000吨货物时，激光器的资本成本（$ 5 B或$ 500 M /年）约为$ 1 / kg，这将零件的举升成本降低至$ 100 / kg。在最大有效载荷亚轨道模式下，Skylon计划将30吨有效载荷提升到157公里远地点和6966 m / s。请参阅本手册的第10页。

为了避免过度的空气动力学加热，有效载荷释放被延迟到135 km。如果没有动力，有效载荷将需要150秒才能到达远地点。6966 m / s的速度比LEO短约1000 m / s，而地球同步传输轨道（GTO）则短3286 m / s。

超过2 m / s2的加速度足以使第二级进入轨道。第二阶段缓慢失去上升速度，因为在87％的轨道速度下的有效g较低，约为2 m / s2。在光加速下（见下图），第二阶段达到轨道速度，然后才向上运动。

图4 –地球同步传输轨道路径的作者生成的图

激光可以加速第二阶段多长时间和多慢有限制。车辆必须保持在GEO反射镜的视线范围内，并且必须超过轨道速度才能回落到大气中。

激光从地面发射的正常指标约为每吨有效载荷GW。如果您需要20吨的货物尺寸（大约是功率卫星的最小尺寸），这意味着需要20吉瓦的激光，从电网上拉走40吉瓦的电源并可能花费200美元。这部分是因为激光推进的极高排气速度是能量在车辆达到与排气速度相当的速度之前效率低下，部分原因是车辆在短时间内看到了地面激光。以下是一些可以降低成本的方法：

•对于在GEO中和必须跟踪车辆的所有复杂情况，反射镜将20吨有效载荷传递给GEO所需的激光功率减少了50倍。他们这样做是通过允许小于1 g的加速度，并允许激光对目标进行大约4倍于地面发射实际可行的时间。（请参阅下面•的图5。）确实需要化学火箭或火箭飞机升压至接近轨道速度，但从化学发动机工作效率最高的排气速度的50％到150％。（请参阅http://en.wikipedia.org/wiki/File:PropulsiveEfficiency.svg。）直到以26 km和2 km / sec（占Skylon火箭模式排气速度的44％）使用空气的结尾，处于空气呼吸模式的航空飞机都是非常有效的。•地球同步转移轨道速度为10252 m / s。在地球静止轨道上使轨道圆形化需要额外的1630 m / s，以使地面的总增量V达到11,682 m / s。氢气的排气速度约为9800 * sqrt（T / 3000），其中T为K.在•一起，第二阶段的额外增量V为4916 m / s-约为排气速度的一半，导致质量比为〜任务为1.65，反应载荷为10-12吨，有效载荷和车辆为18-20吨。在地球重力场中将大部分反应质量扩展到较低的水平会导致性能稍微好一些。在•各种设计中，我同时使用了恒定加速度和恒定加热器温度。如果恒定的加热器温度提供了足够的加速度，可以在车辆掉入大气层或使其看不见之前进入轨道，则可以提供更高的排气速度和更好的排气速度性能。•加起来，对GTO的加速和在GTO上的圆化燃烧，花费的时间不会超过20分钟，而每小时的飞行速度却只有3个航班。1200秒内10,000千克氢气为8.33千克/秒所需的•激光功率从8.33千克/秒加速到9.8公里/秒。Ke / s = 1/2 mV ^ 2 / s，其中m为8.333 kg / sec，V为9.8 km •/ sec-解像度为400 MW，激光束会产生一定的大气和光学损耗，还会产生一些重辐射车辆损失。这些应相对较小（低于20％），将激光输出提高到500 MW，将输入（以50％的效率提高）到1 GW.8.33 kg• / s的氢气和400 MW的流量（损失后）会导致恒定的加热器温度为3000 deg K（排气速度为9.8 km / s），初始加速度为2.72 m / s2。

对于火箭来说，这是不寻常的制度。它介于一级火箭的低排气速度/高推力与离子驱动器的低推力和极高排气速度之间。

在这种情况下，第二秒的电子表格分析表明，一辆30吨的二级车辆在970秒进入GTO下限7743公里，剩余质量为21,900公斤。因为推力在质量用完时是恒定的，所以加速度上升到3.727 m / s2（低于0.4 g）。直到1206秒才达到GEO插入所需的速度，即在236秒之后的5或15小时内进行第二次刻录。对于首过分析，这足够接近20分钟。

图5 –作者图。

在GEO圆化结束时的峰值加速度刚好超过4 m / s2（所有加速度都非​​常低）。根据电子表格，还剩20,000公斤（19937公斤）。也就是说，每次Skylon航班约有20吨到达GEO。我们假设去GEO的一切都变成了动力卫星（甚至是GEO的500名工人的三明治包装纸）。

降低成本的详细信息

常规使用Skylon每次航班将向GEO运送约5吨。对于每小时3的飞行速度，则为每小时15吨。通过添加$ 5 B的激光（和GEO反射镜），激光增强亚轨道有效载荷将使每小时GEO投入60吨，即四倍。在计算经济学时，要进行以下假设：

•90％的时间使用此运输系统，每年可提起8000小时/年x 60吨/小时或480,000吨。（这将支持大量的电力卫星生产。）•以5000吨/吉瓦计算，它将每年产生96吉瓦（19颗5吉瓦的•电力卫星）。以1.6美元/吉瓦的价格（十年内每千瓦时支付2美分），出售电力卫星的收入将为每年超过$ 150B。

为了增加第二阶段的激光驱动功率，相同的飞行速度将允许在Skylon发射中以相同的成本向GEO提供四倍的货物。当每年散布48万吨货物时，激光器的资本成本（每年5亿美元/年，按10％/年的费用计）约为1美元/千克，这使零件的举升成本降至100美元/千克以下。GEO的成本（不是LEO）将降至每公斤100美元以下，这是每千瓦时电力2美分的神奇数字，即煤炭价格的一半（或更低）。

电力卫星能源经济学

虽然能源投资的能源回报率（EROEI）对于石油，煤炭和天然气等资源具有很好的衡量标准，但这些资源最终会耗尽，但Wikipedia文章中的净能源收益（NEG）表明NEG或投资回收期可能可持续发展的更好指标。根据这篇文章：

对于可持续能源，例如水电，风能，太阳能和地热能，情况则有所不同，因为没有大量的储备可用于计算（除了太阳的寿命），但是能源不断滴流，因此只有考虑提取所需的能量。

在所有能量提取情况下，能量提取设备的生命周期对于NEG比率至关重要。如果提取设备在10年后失效，其NEG将大大低于其运行30年后的NEG。因此，可以使用能源回收期（有时称为能源摊销）​​来代替，这是通常以年为单位的时间，工厂必须运转直到运行的NEG变为正数（即直到工厂所需的能源量为止）。基础设施已从工厂中收获）。

对于光伏电池，其生产的NEG取决于工作寿命以及工作地点可用的阳光量。如今，收支平衡的能量回收时间（产生与最初制造阵列所用能量相等的能量所需的时间）约为2至4年，而有效的生产寿命超过20至30年（例如，许多制造商现在为其产品提供25年保修）。

请注意，以上引用的最后一段中的表示太阳能电池的能源回收期为2至4年。风能的相应投资回收期由可再生能源英国提供：

英国的平均风电场将在六到八个月内偿还其制造过程中使用的能源。

风电场的投资回收期不包括无风时的备用燃气轮机，也不包括长距离输电线路将风能分配到远离生产源头的城市所需的能源。

那么太阳能卫星如何堆叠？

就从氧化物中释放铝而言，铝是最昂贵的建筑材料，并且比将其达到GEO所需的最少能源投资（13 kWh / kg）要少（13 kWh / kg）。由于预计的运输能源成本是铝能源的许多倍，因此我们通常可以忽略功率卫星零件的能源投资，从而粗略计算能源回收时间。

假设的移动环路太空电梯将需要最小的能量才能将有效载荷获取到GEO。对于由最小能量空间升降机举起的部件制成的功率卫星，将5 kg（足够用于kW）的功率卫星提升到GEO所需的时间为75 kWh。能源回收时间仅为3天（如果算上制造铝所需的约75 kWh，则为6天）。

唉! 我们没有而且永远也不会得到太空电梯。如何获得GEO零件的其他方式呢？

•化学火箭能效为2.5％左右，因此投资回收期是其寿命的40倍（约120天）。不过，这不包括制造火箭结构所需的相对大量的能量。对于•高度可重复使用的Skylon和激光建议，激光部分要拉动一个GW，以每小时60吨的速度向GEO输送（ Skylon的轨道推动）。它还每小时使用30吨氢气，能量含量为210,000 kWh。100万kWh / 60,000千克等于21 kWh /•千克。Skylon助推阶段每次发射可燃烧66807千克氢气；每小时3的氢气（70 kWh / kg）中的能量为14,029,470 kWh，/ 60,000 kg或233 kWh / kg，•总共254 kWh / kg，（与最低能量相比，效率为6％）一千瓦的功率卫星将需要1270 kWh的升力，这使得能源回收期约为53天，不到两个月。

这比地面太阳能或风能的投资回收期短得多。

因此，至少从火箭飞机的物理特性，激光推进和动力卫星的能源经济性来看，似乎有可能拥有一个拥有大量低成本能源的世界。

这绝不是一个完全可行的建议。例如，我们如何让亚轨道“天伦”飞机返回其跑道？我们真的可以用激光将氢加热到3000度吗？这比熔化的钨低600度，但值得怀疑。碳是高达3900 deg K的固体，但是在该温度下它会变成碳氢化合物吗？

更多分析可能会发现整个项目的盈利能力低至$ 40 B（Skylon开发的一半）。如果真是这样，那么以当前美元计算，它接近Chunnel或三峡大坝。

附录：进入轨道—侧面这里是对GEO进行激光驱动的第二级的非常粗糙的设计，与C1 Skylon一起使用。

•Skylon的有效负载托架跨过13个公尺x 4.8毫米（62.4平方米）为4.8。对于400 MW，即6.4 MW / m2或640 W / cm2。那是在一个很小的区域内吸收大量的热量，但不到每平方厘米商用热枪的3倍。因为我们希望•激光吸收器准确地对准地球同步轨道发出的激光束，所以在鼓形飞行器的两端分别安装喷嘴，该喷嘴将向侧面飞行进入轨道。它会通过一个正负6度旋转接头喂入3000度K的热氢，以使吸收体指向激光束。这种接头存在于固体火•箭上，有效载荷舱的体积约为15 m2 x 13 m或195立方米。第二阶段氢气罐（10,000千克）占地143立方米，剩下52立方米用于20吨吸热器，储罐，火箭喷嘴，泵和货物。

8.3 kg / s的氢气流量需要为5-10 bar。Jordin Kare的微通道加热器设计是一种方法。另一种可以减少再辐射的方法是使用弯曲的透明氧化铝片，其下方带有腔体光吸收剂（同流，网址：http：//www.freepatentsonline.com/4033118.pdf）。流动的冷氢会带走沉积在窗户材料中的任何能量。

十巴的压力为一百万帕斯卡。直径4.8 m的环向应力为每米2.4 MN。熔融氧化铝的拉伸强度约为360 M Pa，使用240 M Pa时的拉伸强度为1厘米厚。窗口质量约为每立方米5 x 13 x .01 x 4000千克或2600千克（或五巴为1300千克）。

这是可以的，因为到达GEO的一切都变成了卫星的一部分。如果您不能将其用于其他任何用途，请将其磨成粉尘，然后将其用于散热器的伪流体（低压气体和细小的固体在巨大的涂胶织物管中吹散）。

激光吸热器可能是热型功率卫星中有用的部件，也许额定功率降至100 MW。对设计进行一些考虑后，许多第二级泵和其他部件可能对构造动力卫星很有用。

通过。基思·汉森

这是Keith Henson的特邀帖子。可以通过gmail.com的hkeithhenson与Keith联系。

来源：油桶