انرژی خورشیدی بر پایه فضا

ژاپن

چندین دهه ژاپن تا میلیون‌ها دلار برای مطالعهٔ تولید انرژی از فضا صرف کرده‌است. آن‌ها قصد دارند در آینده‌ای نزدیک یک آزمون محدود در این زمینه انجام دهند. در ماه می ۲۰۱۴ طیف مجلاتIEEE یک مقاله طولانی «در فضا هوا همیشه آفتابی است» که توسط دکتر سوسومو ساساکی نوشته شده است، منتشر شد. "این موضوع بسیاری از مطالعات قبلی و مطالعاتی از جنس علمی تخیلی برای چند دهه را شامل می‌شود، اما توان خورشیدی مبتنی بر فضا اخیراً می‌تواند تبدیل به یک واقعیت شود البته در عرض ۲۵ سال، با توجه به یک پیشنهاد از محققان آژانس اکتشاف فضایی ژاپن بررسی می‌شود. "

خورشید

تحقیقات بر روی خورشید و کسب اطلاعات جامع دربارهٔ میزان انرژی آن و شدت نوری که از خورشید به زمین می‌تابد، اهمیت بسیاری در این پروژه دارد. همواره نخستین منبع انرژی در زمین، نور خورشید بوده‌است. 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 ۱٬۳۶۸ W/m۲ است. نور خورشید با گذر از جو زمین ضعیف تر می‌شود و توان کمتری را به سطح می‌رساند. در شرایطی که آسمان شفاف، و خورشید نزدیک سرسو باشد، توانی نزدیک به ۱۰۰۰ وات بر مترمربع بدست خواهد آمد.
نور خورشید را می‌توان با کمک فرایندهای طبیعی و ساخت انسان مهار کرد. 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.

جمع‌آوری انرژی

منبع اصلی تغذیهٔ ماهواره معمولاً سلول‌های خورشیدی هستند. ماهواره در مدار زمین‌هم‌زمان در فضا انرژی خورشیدی را جذب کرده و در باتریها ذخیره می‌کند، این باتریها از نوع نیکل -کادمیم هستند.
منبع نیروی الکتریکی ایستگاه فضایی بین‌المللی هم انرژی خورشیدی است. انرژی خورشیدی ابتدا فقط توسط صفحات خورشیدی متصل ایستگاه تأمین می‌شود. ایستگاه از جریان برق مستقیم ۲۸ ولتی بهره می‌برند. (سامانه برق فضاپیمای شاتل نیز همینگونه است).
آرایه صفحات خورشیدی دارای طولی معادل ۵۸ متر و سطحی برابر ۳۷۵ متر مربع است. 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.

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. طرفداران این ایده معتقدند هزینهٔ تولید برق از تابش خورشیدی از فضا قابل تبدیل خواهد بود به منظور کاهش هزینه کلی تحویل تجهیزات و ربات‌ها در این پروژه به کمتر از ۳ هزار و ۵۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم تبدیل خواهد شد.