电力系统工程课程设计通天塔轨道环太阳能发电系统.doc

通天塔太阳能发电轨道环系统一、 目前世界能源现状 在过去的一个世纪中，煤炭、石油、天然气等化石能源的开发与利用揭开了大工业时代的序幕，百年前后人类总的年能源供应量增长了近10倍。然而，无节制的资源开发和低效的能源利用造成了大量的资源浪费与日益严重的生态环境污染，人类的生存空间受到了极大威胁，在新的世纪里，能源科学不得不同时面对资源短缺与环境污染的双重压力，根据美国能源信息署（EIA）最新预测结果，随着世界经济、社会的发展，未来世界能源需求量将继续增加。预计，2020年世界能源需求量将达到达到128.89亿吨油当量，2025年达到136.50亿吨油当量，年均增长率为1.2%。对能源资源的争夺将日趋激烈，争夺的方式也更加复杂，由能源争夺而引发冲突或战争的可能性依然存在。这些人类目前赖以生存的主要能源是不可再生的。用多少就少多少.化石能源耗尽是迟早的事情.世界煤炭已探明可采储量约10000亿吨可供开采近200年;世界石油已探明可采储量约1567亿吨可供开采约50年;世界天然气已探明可采储量约175.8万亿m3可供开采约70年.节约能源，延缓化石能源枯竭的时间表，为新能源、可再生能源的开发利用留有充足时间已成为世界各国的共识。化石能源终究有一天会枯竭。我个人认为，最具发展前景、发展潜力的新能是太阳能和核能，尤其是太阳能，太阳能以其独具的储量“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性，使许多发达国家都把太阳能等可再生能源从原来的补充能源上升到战略替代能源的地位。二、 目前太阳能发电现状太阳能发电方法有两种，一是太阳能热发电，一是太阳能光伏发电。近几年国际上光伏发电快速发展，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程 太阳能热发电的概念早在19世纪就已经提出，自从1878年在巴黎建立了第一个小型点聚焦太阳能热交换式蒸汽机以来，能源领域专家从各个方面对太阳能热发电技术展开探讨，尤其是20世界80年代以来，美国、意大利、法国、前苏联、西班牙、日本、澳大利亚、德国、以色列等相继建立起各种不同类型的试验示范装置和商业化运行装置，促进了太阳能热发电技术的发展和商业化的进程，太阳能热发电技术取得了显著的进展。据不完全统计，仅在1981-1991年10年期间，全世界就组建了500kW以上的太阳能热发电系统20多座。如今，在采用Rankine循环的技术中，按照集热温度的高低，太阳能热发电系统大致可以分为槽式系统、塔式系统和碟式系统三大基本类型。但是，目前太阳能发电在商业上没有得到大规模应用。主要原因有以下三个方面：第一，太阳能能流密度低，需要大面积的光学反射装置和昂贵的接收装置将太阳能直接转换为电能，这一过程的投资成本占整个电站投资的一半左右。第二，太阳能发电系统的发电效率低, 年太阳能净发电效率不超过15%。在相同的装机容量下, 较低的发电效率需要更多的聚光集热装置，增加了投资成本。第三，由于太阳能供应不连续、不稳定，需要在系统中增加蓄热装置，大容量的电站需要庞大的蓄热装置和管路系统,，造成整个电站系统结构复杂，增加了成本。三、 通天塔太阳能发电站轨道环系统 由于太空的太阳辐射每平方米可以达到1353瓦，是地面的5倍以上，在地球同步轨道，99%的时间可以接受太阳能辐射。如果在地球同步轨道上部署宽度为1000米的太阳能电池阵环带，以转换效率100%计算，从理论上说，其1年接受的太阳能辐射，可以为地球可知开采石油储能的能量总和。 目前美国、日本、欧洲、俄罗斯等都提出了自己的国际空间太阳能电站的构想，预计投资数百亿美元，建立100万千瓦的商业性装机电站，在2030-2040年投入使用。目前中国暂时还没有起步。个人提出一个太空太阳能发电站建设方案通天塔太阳能发电站轨道环系统。整个系统分为两个系统，通天塔轨道电梯系统和同步轨道环太阳能发电系统。 发电系统原理图（截自日本动漫机动战士高达00）通天塔系统类似于1895年俄罗斯科学家首次提出太空梯，基本上就是一条长长的电梯-一端固定在地球上，另一端固定在地球同步轨道的平衡物（如轨道环发电站）上。在引力和向心加速度的相互作用下，电梯被绷紧，太空梯将利用太阳能或激光能沿缆绳上下运动。一条 从距离地面3.6万公里的地球同步卫星向地面垂下一条电梯至地面基站,并沿着这电梯修建往返于地球和太空之间的电梯型飞船,往来运输物资。通天塔则可以让人类享受到更为惬意的太空旅行。 更重要的是,太空升降舱上天不需要携带大量燃料,预计所耗能量不过为宇宙飞船发射的1%。英国一项测算显示,用太空轨道电梯运送一个人和行李的费用仅相当于目前用航天飞机运送的0.25%。负责太空升降舱研制的日本太空升降舱协会主席小野秋一(音译)说:“就像出国旅行一样,人人都可以坐着电梯上太空。”轨道环太阳能发电系统设置在高轨道环，由傍环而设的发电卫星收集太阳能后，将电力以微波的形式传送，由于直接传播的区域有限定，加上直接向地面传送微波有着一定的风险，所以采用了另外的对策。发电卫星将收集到的电力以微波的形式传送到高轨道环上的接收天线，再通过高轨道环及轨道电梯内的电缆送回地面，而低轨道环则是通过让磁性流体围绕轨道环奔走产生离心力，维持太空站的高度。高轨道空间平衡锤发电卫星 轨道环太阳能发电卫星 假想图（截自机动战士高达00）系统組成的部分组成的部份:平衡锤(卫星):是一个比较重的物体,放置高轨道部(同步轨道)上方,距地表约5万km,建造在地球和月球的引力中点(两天体的引力与离心力在拉格朗日点平衡,这个高度跟L1距地表的距离相当大概吧)高(同步)轨道部的太空站:由两种太空站组成,中央球状为民用的,下面正方形为军用的,位在平衡锤与缆绳的质心,距地表高度约3万6千km, 用作通讯与军方的太空作战和MS停泊用,负责监控和管理太阳能发电卫星,可搜集与探测外太空,气象,海洋,水文,军事和非军事设施份布与活动,资源份布,交通运输活动,对地表进行光学扫描与摄影获得影像等,用于传输能源的微波天线也位于高轨道,同时三个天梯在此位置的太空站也用来连结发电卫星组成的轨道环 .离心力重力区 低地轨道环空间站（截自机动战士高达00） 低轨道环(空间站):位于近地轨道和中地球轨道间,距地表约1万km,透过流动于低轨道环的电磁波,产生离心力,将空间站维持在特定高度,为使脆弱的轨道电梯得以巩固、加强,并使之安定,其形态设计为全长10万3000km的巨大的环形结構,低轨道空间站里除了磁浮列车轨道以外,还有以轨道电梯为轴,围绕低轨道环所产生的重力区域,重力区由36 个小区域组合而成,平时以一定的速度缓慢地自转,产生的离心力可以作出类似地球的重力, 重力区是模仿地球上的商店街和游戏设施建造出来的,基于在宇宙中活动的人类精神健康所做出的考虑。缆绳:缆绳是一条十份长且结实的绳子,上粗下细,用于连接地面与平衡锤,構成缆绳的理想才质为强韧且质轻的纳米碳管,不过现实中品质最好的碳管,都免不了有缺陷,纳米碳管也能强化传送能源电缆的导电性。 磁悬浮列车(升降机):依靠磁悬浮来回于地面与太空站,可运人和运货。 地上部分(地面基站):用于将缆绳固定在地面上,同时也是人与货物通往宇宙的入口到外太空后,先放下用纳米碳管制成的主轴至地表,建造6根承重轴(记得天梯是6面,所以是6根),同时建设平衡锤与高轨道太空站作为平衡与建设用的基站,地面则是兴建地上部作基站 为避免引力的影响,外太空与地面同时建造, 两方面互相配合进度,以确保质量的稳定,用此配重方式,抵销引力影响,获得并保持平衡,并于某一点会合搭配先进的自动机器人与自动组装技术,除了组装发射带能微波的巨型天线,还能大幅提升整体建造效率与降低成本,减少使用人员可能造成的意外和损失,当然也不能完全无人化。选择建于赤道上方的同步轨道上,是因为轨道离心率和轨道倾角均为零,离心率为零,代表较容易建设天梯的正圆型轨道,倾角为零,代表跟赤道平行且与星球运行方向一致,可24小发电(所有轨道环的发电卫星皆算在内),向阳面在无大气阻碍的外太空,相对接近太阳,加上才料与制造技术的进步,其发电量将远超现在地表上的太阳能发电设施。 方案参考：机动战士高达00中的太阳能发电系统