電力系統(tǒng)工程課程設計---通天塔軌道環(huán)太陽能發(fā)電系統(tǒng)

1、<p>　　通天塔太陽能發(fā)電軌道環(huán)系統(tǒng)</p><p><b>　　目前世界能源現(xiàn)狀</b></p><p>　　在過去的一個世紀中，煤炭、石油、天然氣等化石能源的開發(fā)與利用揭開了大工業(yè)時代的序幕，百年前后人類總的年能源供應量增長了近10倍。然而，無節(jié)制的資源開發(fā)和低效的能源利用造成了大量的資源浪費與日益嚴重的生態(tài)環(huán)境污染，人類的生存空間受到了極大威脅，在新

2、的世紀里，能源科學不得不同時面對資源短缺與環(huán)境污染的雙重壓力，</p><p>　　根據(jù)美國能源信息署（EIA）最新預測結(jié)果，隨著世界經(jīng)濟、社會的發(fā)展，未來世界能源需求量將繼續(xù)增加。預計，2020年世界能源需求量將達到達到128.89億噸油當量，2025年達到136.50億噸油當量，年均增長率為1.2%。對能源資源的爭奪將日趨激烈，爭奪的方式也更加復雜，由能源爭奪而引發(fā)沖突或戰(zhàn)爭的可能性依然存在。</p&g

3、t;<p>　　這些人類目前賴以生存的主要能源是不可再生的。用多少就少多少.化石能源耗盡是遲早的事情.世界煤炭已探明可采儲量約10000億噸可供開采近200年;世界石油已探明可采儲量約1567億噸可供開采約50年;世界天然氣已探明可采儲量約175.8萬億m3可供開采約70年.</p><p>　　節(jié)約能源，延緩化石能源枯竭的時間表，為新能源、可再生能源的開發(fā)利用留有充足時間已成為世界各國的共識。&l

4、t;/p><p>　　化石能源終究有一天會枯竭。</p><p>　　我個人認為，最具發(fā)展前景、發(fā)展?jié)摿Φ男履苁翘柲芎秃四?，尤其是太陽能，太陽能以其獨具的儲量“無限性”、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性，使許多發(fā)達國家都把太陽能等可再生能源從原來的補充能源上升到戰(zhàn)略替代能源的地位。</p><p><b>　　目前太陽能發(fā)電現(xiàn)狀</b></p

5、><p>　　太陽能發(fā)電方法有兩種，一是太陽能熱發(fā)電，一是太陽能光伏發(fā)電。</p><p>　　近幾年國際上光伏發(fā)電快速發(fā)展，世界上已經(jīng)建成了10多座兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個兆瓦級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國家。1997年又提出“百萬屋頂”計劃。日本1992年啟動了新陽光計劃，到2003年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的50%，世界前10大廠商有4家在日本。而德國新可再生能源法

6、規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價，大大推動了光伏市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計劃，并投巨資進行技術開發(fā)和加速工業(yè)化進程 </p><p>　　太陽能熱發(fā)電的概念早在19世紀就已經(jīng)提出，自從1878年在巴黎建立了第一個小型點聚焦太陽能熱交換式蒸汽機以來，能源領域?qū)＜覐母鱾€方面對太陽能熱發(fā)電技術展開探討，尤其是20世界80年代以來，美國

7、、意大利、法國、前蘇聯(lián)、西班牙、日本、澳大利亞、德國、以色列等相繼建立起各種不同類型的試驗示范裝置和商業(yè)化運行裝置，促進了太陽能熱發(fā)電技術的發(fā)展和商業(yè)化的進程，太陽能熱發(fā)電技術取得了顯著的進展。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅在1981-1991年10年期間，全世界就組建了500kW以上的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)20多座。如今，在采用Rankine循環(huán)的技術中，按照集熱溫度的高低，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)大致可以分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)三大基本類型。</

8、p><p>　　但是，目前太陽能發(fā)電在商業(yè)上沒有得到大規(guī)模應用。主要原因有以下三個方面：第一，太陽能能流密度低，需要大面積的光學反射裝置和昂貴的接收裝置將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，這一過程的投資成本占整個電站投資的一半左右。第二，太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率低, 年太陽能凈發(fā)電效率不超過15%。在相同的裝機容量下, 較低的發(fā)電效率需要更多的聚光集熱裝置，增加了投資成本。第三，由于太陽能供應不連續(xù)、不穩(wěn)定，需要在系統(tǒng)中增加蓄熱

9、裝置，大容量的電站需要龐大的蓄熱裝置和管路系統(tǒng),，造成整個電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，增加了成本。</p><p>　　通天塔太陽能發(fā)電站軌道環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　由于太空的太陽輻射每平方米可以達到1353瓦，是地面的5倍以上，在地球同步軌道，99%的時間可以接受太陽能輻射。如果在地球同步軌道上部署寬度為1000米的太陽能電池陣環(huán)帶，以轉(zhuǎn)換效率100%計算，從理論上說，其1年接受的太陽能輻射，

10、可以為地球可知開采石油儲能的能量總和。</p><p>　　目前美國、日本、歐洲、俄羅斯等都提出了自己的國際空間太陽能電站的構(gòu)想，預計投資數(shù)百億美元，建立100萬千瓦的商業(yè)性裝機電站，在2030-2040年投入使用。目前中國暫時還沒有起步。</p><p>　　個人提出一個太空太陽能發(fā)電站建設方案——通天塔太陽能發(fā)電站軌道環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　整個系統(tǒng)分為兩

11、個系統(tǒng)，通天塔軌道電梯系統(tǒng)和同步軌道環(huán)太陽能發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　發(fā)電系統(tǒng)原理圖（截自日本動漫機動戰(zhàn)士高達00）</p><p>　　通天塔系統(tǒng)類似于1895年俄羅斯科學家首次提出太空梯，基本上就是一條長長的電梯---一端固定在地球上，另一端固定在地球同步軌道的平衡物（如軌道環(huán)發(fā)電站）上。在引力和向心加速度的相互作用下，電梯被繃緊，太空梯將利用太陽能或激光能沿纜繩上下運動。<

12、;/p><p>　　從距離地面3.6萬公里的地球同步衛(wèi)星向地面垂下一條電梯至地面基站,并沿著這電梯修建往返于地球和太空之間的電梯型飛船,往來運輸物資。通天塔則可以讓人類享受到更為愜意的太空旅行。 更重要的是,太空升降艙上天不需要攜帶大量燃料,預計所耗能量不過為宇宙飛船發(fā)射的1%。英國一項測算顯示,用太空軌道電梯運送一個人和行李的費用僅相當于目前用航天飛機運送的0.25%。負責太空升降艙研制的日本太空升降艙協(xié)會主席小野

13、秋一(音譯)說:“就像出國旅行一樣,人人都可以坐著‘電梯’上太空?！?lt;/p><p>　　軌道環(huán)太陽能發(fā)電系統(tǒng)設置在高軌道環(huán)，由傍環(huán)而設的發(fā)電衛(wèi)星收集太陽能后，將電力以微波的形式傳送，由于直接傳播的區(qū)域有限定，加上直接向地面?zhèn)魉臀⒉ㄓ兄欢ǖ娘L險，所以采用了另外的對策。發(fā)電衛(wèi)星將收集到的電力以微波的形式傳送到高軌道環(huán)上的接收天線，再通過高軌道環(huán)及軌道電梯內(nèi)的電纜送回地面，而低軌道環(huán)則是通過讓磁性流體圍繞軌道環(huán)奔走

14、產(chǎn)生離心力，維持太空站的高度。</p><p>　　軌道環(huán)太陽能發(fā)電衛(wèi)星 假想圖（截自機動戰(zhàn)士高達00）</p><p>　　系統(tǒng)組成的部分組成的部份:</p><p>　　平衡錘(衛(wèi)星):是一個比較重的物體,放置高軌道部(同步軌道)上方,距地表約5萬km,建造在地球和月球的引力中點(兩天體的引力與離心力在拉格朗日點平衡,這個高度跟L1距地表的距離相當……大概吧)&

15、lt;/p><p>　　高(同步)軌道部的太空站:由兩種太空站組成,中央球狀為民用的,下面正方形為軍用的,位在平衡錘與纜繩的質(zhì)心,距地表高度約3萬6千km, 用作通訊與軍方的太空作戰(zhàn)和MS停泊用,負責監(jiān)控和管理太陽能發(fā)電衛(wèi)星,可搜集與探測外太空,氣象,海洋,水文,軍事和非軍事設施份布與活動,資源份布,交通運輸活動,對地表進行光學掃描與攝影獲得影像等,用于傳輸能源的微波天線也位于高軌道,同時三個天梯在此位置的太空站也用

16、來連結(jié)發(fā)電衛(wèi)星組成的軌道環(huán) .</p><p>　　低地軌道環(huán)空間站（截自機動戰(zhàn)士高達00）</p><p>　　低軌道環(huán)(空間站):位于近地軌道和中地球軌道間,距地表約1萬km,透過流動于低軌道環(huán)的電磁波,產(chǎn)生離心力,將空間站維持在特定高度,為使脆弱的軌道電梯得以鞏固、加強,并使之安定,其形態(tài)設計為全長10萬3000km的巨大的環(huán)形結(jié)構(gòu),低軌道空間站里除了磁浮列車軌道以外,還有以軌道電梯

17、為軸,圍繞低軌道環(huán)所產(chǎn)生的重力區(qū)域,重力區(qū)由36 個小區(qū)域組合而成,平時以一定的速度緩慢地自轉(zhuǎn),產(chǎn)生的離心力可以作出類似地球的重力, 重力區(qū)是模仿地球上的商店街和游戲設施建造出來的,基于在宇宙中活動的人類精神健康所做出的考慮。</p><p>　　纜繩:纜繩是一條十份長且結(jié)實的繩子,上粗下細,用于連接地面與平衡錘,構(gòu)成纜繩的理想才質(zhì)為強韌且質(zhì)輕的納米碳管,不過現(xiàn)實中品質(zhì)最好的碳管,都免不了有缺陷,納米碳管也能強化

18、傳送能源電纜的導電性。</p><p>　　磁懸浮列車(升降機):依靠磁懸浮來回于地面與太空站,可運人和運貨。</p><p>　　地上部分(地面基站):用于將纜繩固定在地面上,同時也是人與貨物通往宇宙的入口</p><p>　　到外太空后,先放下用納米碳管制成的主軸至地表,建造6根承重軸(記得天梯是6面,所以是6根),同時建設平衡錘與高軌道太空站作為平衡與建設用的

19、基站,地面則是興建地上部作基站</p><p>　　為避免引力的影響,外太空與地面同時建造, 兩方面互相配合進度,以確保質(zhì)量的穩(wěn)定,用此配重方式,抵銷引力影響,獲得并保持平衡,并于某一點會合</p><p>　　搭配先進的自動機器人與自動組裝技術,除了組裝發(fā)射帶能微波的巨型天線,還能大幅提升整體建造效率與降低成本,減少使用人員可能造成的意外和損失,當然也不能完全無人化。</p>

20、<p>　　選擇建于赤道上方的同步軌道上,是因為軌道離心率和軌道傾角均為零,離心率為零,代表較容易建設天梯的正圓型軌道,傾角為零,代表跟赤道平行且與星球運行方向一致,可24小發(fā)電(所有軌道環(huán)的發(fā)電衛(wèi)星皆算在內(nèi)),向陽面在無大氣阻礙的外太空,相對接近太陽,加上才料與制造技術的進步,其發(fā)電量將遠超現(xiàn)在地表上的太陽能發(fā)電設施。</p><p>　　方案參考：機動戰(zhàn)士高達00中的太陽能發(fā)電系統(tǒng)</p&