موضوع مقاله: انرژی خورشیدی بر پایه فضا | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # انرژی خورشیدی بر پایه فضا | مقدمه: تحقیق بر روی این پروژه از اوایل دههٔ ۱۹۷۰ آغاز شد، در زمینه‌های متعددی بر روی این طرح تحقیق می‌شود. | ## بخش 1: انرژی خورشیدی بر پایه فضا | از جمله خورشید و ویژگی‌های آن، نور خورشید، انرژی خورشیدی و زمینه‌هایی که در طراحی و اجرای این طرح طراحان و مجریان این طرح را یاری می‌کند. طرح فضا توان در مقایسه با طرح‌های دیگر جمع‌آوری انرژی خورشیدی متفاوت است و مزایای قابل توجهی نسبت به آن طرح‌ها دارد. در این طرح پانل‌ها در ماهواره‌های بزرگ نصب می‌گردند و با اجتناب از این ضرر و زیان و خرابی (و زیان کسینوس، برای جمع‌آوری در صفحه تخت ثابت) به علت چرخش زمین، آن‌ها در خارج از جو، در مدار قرار می‌گیرند. پس از نصب ماهواره‌ها آن‌ها نور خورشید را جمع‌آوری و به ریز موج تبدیل می‌کنند، سپس انرژی را به ایستگاه‌های دریافت، بر روی زمین ارسال می‌کنند؛ و در این ایستگاه‌ها به محض دریافت، یک جریان الکتریکی در خطوط شبکه ایجاد می‌شود. دربارهٔ انتقال انرژی از ماهواره‌ها به زمین چند روش ارائه شده‌است از جمله امواج مایکروویو و…. از مزایای این روش نسبت به روش‌های دیگری مانند فتوولتاییک، می‌توان به این مواردی اشاره کرد، مثلاً بخشی از انرژی خورشیدی در راه از طریق اتمسفر، اثرات انعکاس و جذب از دست می‌رود. در این روش تجهیزات باعث می‌شود تا تغییرات جو زمین تأثیری بر انرژی دریافت شده نداشته باشد حتی هنگام شب که نور خورشید به زمین نمی‌تابد، در فصل زمستان، در هوای برفی و بارانی که نور خورشید به زمین کم‌تر می‌تابد، می‌توان انرژی خورشیدی را بر روی ماهواره‌ها به میزان چشم‌گیری دریافت کرد. برای اجرای چنین طرحی موانعی وجود دارد، در درجه اول مشکل انتقال انرژی از مدار به زمین برای استفاده از انرژی، 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 تکنولوژی‌های امروزی، انتقال انرژی در طرح توان فضایی به‌طور کلی عبارت است از: استفاده از برخی از شیوه‌های انتقال بی‌سیم انرژی؛ ماهوارهٔ گیرنده، انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی بر روی یک تخته تبدیل می‌کند، تأمین انرژی یک فرستنده مایکروویو یا ساطع‌کننده لیزر، و تمرکز پرتو خود را به سمت گیرنده (آنتن یکسوسازrectenna) در سطح زمین انجام می‌دهد. اجرای این طرح موجب تحولی عظیم در جهان می‌شود، چرا که مقدار انرژی تابشی خورشید بر روی کره زمین ۶۰۰۰ برابر کل مصرف انرژی‌های سالیانه بر روی زمین است. اجرای این طرح، آغازی خواهد بود برای اجرای طرح‌هایی بزرگ‌تر و گسترده‌تر در زمینهٔ جمع‌آوری انرژی‌های موجود در فضا و گیتی، خورشید یکی از ستارگان فضا است که دمای سطح آن ۵۵۰۵ درجه سانتیگراد است.NASA "Sun Fact Sheet" ستارگانی در فضا وجود دارند که دمای آن‌ها تا ۳۳ هزار کلوین تخمین زده می‌شود. پس در فضا مقدار بسیار زیادی از انرژی وجود دارد، با توجه به فعل و انفعالاتی که در فضا رخ می‌دهد و انرژیی که این فعل و انفعالات آزاد می‌کنند. دستیابی به انرژی‌های موجود در فضا تأثیر مؤثری بر بحران‌های انرژی جهان خواهد گذاشت. یقیناً بشر تلاش می‌کند تا این انرژی‌ها را به دست آورد و هزینه‌های تمام شدهٔ انرژی را کاهش دهد. (" SPS "، مخفف " توان خورشیدی ماهواره‌ای " یا " سیستم توان ماهواره‌ای " است) تاریخچه در سال ۱۹۴۱، نویسنده داستان‌های علمی تخیلی آیزاک آسیموفIsaac Asimov داستان کوتاه علمی تخیلی را منتشر کرد که در آن یک ایستگاه فضایی انرژی جمع‌آوری شده از خورشید را با استفاده از پرتوهای مایکروویو به سیارات مختلف، انتقال می‌دهد. مفهوم توان خورشیدی فضایی، در اصل به عنوان سیستم ماهواره‌ای انرژی خورشیدی شناخته می‌شود، برای اولین بار در نوامبر ۱۹۶۸ شرح داده شد. وی روش خود را به گونه‌ای در نظر گرفت که انتقال قدرت در مسافت‌های طولانی با استفاده از مایکروویو از یک آنتن بسیار بزرگ که بر روی ماهواره‌ای قرار دارد به یک آنتن بسیار بزرگتر در حال حاضر به عنوان یک آنتن یکسوساز شناخته می‌شود و بر روی زمین قرار دارد، انجام می‌شود. آن‌ها دریافتند که، این موضوع چندین مشکل بزرگ دارد - عمدتاً هزینهٔ قرار دادن مواد مورد نیاز در مدار و فقدان تجربه در چنین پروژه‌هایی که در فضا اجرا می‌شود - این مسائل کاملاً نشان داد که پروژه به بررسی و تحقیق بیشتری نیاز دارد.Peter Glaser|Glaser, P. انرژی خورشیدی ماهواره‌ای که در یک مدار زمین‌هم‌زمان، ۳۶۰۰۰ مایل بالای سطح زمین قرار دارد. حمل و نقل فضایی این پروژه با تغییر در دولت‌های پس از انتخابات فدرال ایالات متحده سال ۱۹۸۰ ادامه نیافت. دفتر ارزیابی فناوری به این نتیجه رسیدند در حال حاضر در مورد جنبه‌های فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی در زمینهٔ توان خورشیدی ماهواره‌ای(SPS) شناخت اندکی ایجاد شده تا یک تصمیم واحدی برای ادامهٔ رشد و توسعه طرح، اتخاذ شود. علاوه بر این، بدون تحقیق بیشتر اثبات SPS یا برنامه بررسی سیستم‌های مهندسی می‌تواند یک سرمایه‌گذاری با ریسک بالا باشد. در سال ۱۹۹۷ ناسا مطالعه‌ای با عنوان " نگاه تازه " انجام داد که در آن امکان‌سنجی طرح توان فضایی را در وضعیت مدرن، بررسی می‌کند. | ## بخش 2: انرژی خورشیدی بر پایه فضا | در ارزیابی مطالعهٔ وزارت انرژی با عنوان " چه چیزی تغییر کرده "، ناسا اظهار داشت که: سیاست فضایی ملی ایالات متحده که در این‌جا برای ناسا نام برده می‌شود، نیاز به سرمایه‌گذاری قابل توجهی در زمینهٔ فناوری (نه صرفاً یک وسیله نقلیه خاص) است تا هزینه‌های حمل و نقل گسترده [زمین به مدار] تأمین شود. دکتر وردن به راه حل‌های ممکن با عنوان سوداگرانه اشاره کرد، عقیده داشت این طرح تا چندین دهه نمی‌تواند امکان‌پذیر باشد. این شرکت بزرگ امیدوار است، عملاً 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 سولارنSolaren برای قرار دادن سیستم در مدار است. در ۲ نوامبر ۲۰۱۲، چین پیشنهاد همکاری فضایی با هند با ذکر طرح توان فضایی مطرح کرد، "... ممکن است ابتکار توان خورشیدی مبتنی بر فضا، به‌طوری‌که هر دو کشور هند و چین می‌توانند برای مشارکت طولانی مدت با تأمین مالی مناسب به همراه دیگر کشورهای مایل به همکاری فضایی، برای انتقال انرژی خورشیدی فضایی به زمین اجرا شود. ایجاد طرح‌های مفهومی از زیر سیستم‌هایی که استفاده از تکنولوژی‌های SSP پیشرفته، به نفع آیندهٔ فضا یا برنامه‌های کاربردی جغرافیایی باشد. تنظیم طرح مقدماتی عملیات برای ایالات متحده (کار با شرکای بین‌المللی) جهت آن که یک ابتکار عمل تحریک‌آمیز فناوری را به عهده گیرد. توسعه فناوری احداث و اثبات نقشه‌های راه برای عناصر حیاتی توان خورشیدی فضایی (SSP). SERT دربارهٔ توسعهٔ مفهوم توان خورشیدی ماهواره‌ای (SPS) برای گیگاوات سیستم توان خورشیدی آینده، تأمین توان الکتریکی با تبدیل انرژی خورشید و انتقال آن به سطح زمین انجام شد، به شرط آن که در مسیر توسعهٔ مفهومی، فناوری‌های فعلی استفاده شود. SERT پیشنهاد شد که یک ساختار ظریف فتوولتاییک غول آسا با لنزهای متمرکز کننده یا ماشین گرمایی خورشیدی تا نور خورشید را به برق تبدیل کند. برخی از این نتیجه‌گیری‌های SERT: این افزایش تقاضای جهانی انرژی به احتمال زیاد برای چندین دهه ادامه خواهد داشت، در نتیجه نیروگاه‌های جدید از تمام اندازه‌ها در حال ساخت خواهد بود. تأثیر محیط زیست از این گیاهان و تأثیر آن‌ها در تجهیزات انرژی جهان و تثبیت امنیت ارتباطات می‌تواند مشکل آفرین باشد. انرژی‌های تجدید پذیر از روش‌های قانع‌کننده، هم به لحاظ فلسفی و هم از نظر مهندسی است. بر اساس مطالعه تعریف مفهوم خودش، مفاهیم توان خورشیدی فضایی ممکن است به بحث گذاشته شود. توان خورشیدی ماهواره‌ای دیگر باید به عنوان نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بزرگ غیرقابل تصور در زیرساخت‌های ثابت پیش‌بینی شود قبل از جایگزینی نیروگاه‌های مولد می‌تواند آغاز شود. سیستم‌های توان خورشیدی فضایی به نظر می‌رسد دارای بسیاری از مزایای زیست‌محیطی است، وقتی که با روش‌های جایگزین مقایسه می‌شود. کارایی اقتصادی در سیستم‌های توان خورشیدی فضایی بستگی دارد به بسیاری از عوامل و توسعه موفقیت‌آمیز از انواع تکنولوژی‌های جدید (دسترسی به هزینه‌های فضایی بسیار پایین‌تر است و این کم نیست)، با این حال، همان را می‌توان از بسیاری از گزینه‌های فناوری‌های توان پیشرفتهٔ دیگر اشاره کرد. توان خورشیدی فضایی ممکن است به خوبی به عنوان یک کاندیدای جدی در میان گزینه‌هایی که برای رفع تقاضای انرژی در قرن ۲۱ ارائه شده، ظهور کند. هزینه‌های راه اندازی در محدوده ۱۰۰ تا ۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم محموله به مدار نزدیک زمین مورد نیاز است، اگر SPS به لحاظ اقتصادی قابل دوام باشد. ژاپن چندین دهه ژاپن تا میلیون‌ها دلار برای مطالعهٔ تولید انرژی از فضا صرف کرده‌است. در فضا هیچ هوایی وجود ندارد، به‌طوری‌که سطح جمع‌آوری می‌تواند نور خورشید بسیار شدیدتری را دریافت کند، بدون مانع توسط اثر فیلتر کردن گازهای اتمسفر، پوشش ابر، شب وجود ندارد، گرد و غبار، ابرها و دیگر حوادث آب و هوا نیز وجود ندارد. در نتیجه، نسبت شدت در مدار حدود ۱۴۴ درصد به حداکثر شدت قابل دسترسی در سطح زمین است. | ## بخش 3: انرژی خورشیدی بر پایه فضا | یک ماهواره می‌تواند بیش از ۹۹٪ از زمان، روشن بماند، و در سایه زمین حداکثر فقط ۷۲ دقیقه هر شب در بهار و پاییز اعتدالی در نیمه شب محلی باقی می‌ماند. توان می‌تواند به‌طور مستقیم به مناطقی که به آن بیشتر نیاز داریم با سرعت نسبتاً زیاد هدایت شود. جمع‌آوری ماهواره‌ای احتمالاً می‌تواند توان را بر مبنای سطوح مختلف مورد نیاز و بار پایه یbaseload جغرافیایی یا اوج بار توان مورد نیاز هدایت کند. نمونه قرارداد می‌تواند برای بار پایه باشد، توانی که مداوم است، چون اوج توان زودگذر است. 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 است. در شرایطی که آسمان شفاف، و خورشید نزدیک سرسو باشد، توانی نزدیک به ۱۰۰۰ وات بر مترمربع بدست خواهد آمد. 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 می‌توان یا مستقیم از گرمای خورشید بهره برد یا با کمک سلول‌های خورشیدی، نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. طراحی طراحی فضا توان به دو بخش جمع‌آوری انرژی و انتقال انرژی به زمین تقسیم می‌شود. برای طراحی این سیستم می‌توان از طراحی ماهواره‌ها و ایستگاه‌های فضایی الهام گرفت. ماهواره در مدار زمین‌هم‌زمان در فضا انرژی خورشیدی را جذب کرده و در باتریها ذخیره می‌کند، این باتریها از نوع نیکل -کادمیم هستند. 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 تأمین 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.صفحات خورشیدی ایستگاه فضایی گشوده شد (بی‌بی‌سی فارسی) انتقال انرژی به زمین ماهواره‌ها انرژی الکتریکی را در فرکانس‌های الکترومغناطیسی به گیرنده‌های روی زمین می‌فرستد پس از دریافت انرژی، آن را به شبکهٔ برق منطقه یا شهر انتقال می‌دهد. ماهواره‌های 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. سرمایه‌گذاری و تأمین هزینه 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. | ## جمع‌بندی | طرفداران این ایده معتقدند هزینهٔ تولید برق از تابش خورشیدی از فضا قابل تبدیل خواهد بود به منظور کاهش هزینه کلی تحویل تجهیزات و ربات‌هاRobot در این پروژه به کمتر از ۳ هزار و ۵۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم تبدیل خواهد شد.