電力系統(tǒng)工程課程設(shè)計(jì)---通天塔軌道環(huán)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

1、<p>　　通天塔太陽(yáng)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(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中，煤炭、石油、天然氣等化石能源的開(kāi)發(fā)與利用揭開(kāi)了大工業(yè)時(shí)代的序幕，百年前后人類總的年能源供應(yīng)量增長(zhǎng)了近10倍。然而，無(wú)節(jié)制的資源開(kāi)發(fā)和低效的能源利用造成了大量的資源浪費(fèi)與日益嚴(yán)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(jì)里，能源科學(xué)不得不同時(shí)面對(duì)資源短缺與環(huán)境污染的雙重壓力，</p><p>　　根據(jù)美國(guó)能源信息署（EIA）最新預(yù)測(cè)結(jié)果，隨著世界經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，未來(lái)世界能源需求量將繼續(xù)增加。預(yù)計(jì)，2020年世界能源需求量將達(dá)到達(dá)到128.89億噸油當(dāng)量，2025年達(dá)到136.50億噸油當(dāng)量，年均增長(zhǎng)率為1.2%。對(duì)能源資源的爭(zhēng)奪將日趨激烈，爭(zhēng)奪的方式也更加復(fù)雜，由能源爭(zhēng)奪而引發(fā)沖突或戰(zhàn)爭(zhēng)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(chǔ)量約10000億噸可供開(kāi)采近200年;世界石油已探明可采儲(chǔ)量約1567億噸可供開(kāi)采約50年;世界天然氣已探明可采儲(chǔ)量約175.8萬(wàn)億m3可供開(kāi)采約70年.</p><p>　　節(jié)約能源，延緩化石能源枯竭的時(shí)間表，為新能源、可再生能源的開(kāi)發(fā)利用留有充足時(shí)間已成為世界各國(guó)的共識(shí)。&l

4、t;/p><p>　　化石能源終究有一天會(huì)枯竭。</p><p>　　我個(gè)人認(rèn)為，最具發(fā)展前景、發(fā)展?jié)摿Φ男履苁翘?yáng)能和核能，尤其是太陽(yáng)能，太陽(yáng)能以其獨(dú)具的儲(chǔ)量“無(wú)限性”、存在的普遍性、開(kāi)發(fā)利用的清潔性，使許多發(fā)達(dá)國(guó)家都把太陽(yáng)能等可再生能源從原來(lái)的補(bǔ)充能源上升到戰(zhàn)略替代能源的地位。</p><p><b>　　目前太陽(yáng)能發(fā)電現(xiàn)狀</b></p

5、><p>　　太陽(yáng)能發(fā)電方法有兩種，一是太陽(yáng)能熱發(fā)電，一是太陽(yáng)能光伏發(fā)電。</p><p>　　近幾年國(guó)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(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)，6個(gè)兆瓦級(jí)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國(guó)是最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃的國(guó)家。1997年又提出“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃。日本1992年啟動(dòng)了新陽(yáng)光計(jì)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(guó)新可再生能源法

6、規(guī)定了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)，大大推動(dòng)了光伏市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，使德國(guó)成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國(guó)家。瑞士、法國(guó)、意大利、西班牙、芬蘭等國(guó)，也紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程 </p><p>　　太陽(yáng)能熱發(fā)電的概念早在19世紀(jì)就已經(jīng)提出，自從1878年在巴黎建立了第一個(gè)小型點(diǎn)聚焦太陽(yáng)能熱交換式蒸汽機(jī)以來(lái)，能源領(lǐng)域?qū)＜覐母鱾€(gè)方面對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)展開(kāi)探討，尤其是20世界80年代以來(lái)，美國(guó)

7、、意大利、法國(guó)、前蘇聯(lián)、西班牙、日本、澳大利亞、德國(guó)、以色列等相繼建立起各種不同類型的試驗(yàn)示范裝置和商業(yè)化運(yùn)行裝置，促進(jìn)了太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化的進(jìn)程，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在1981-1991年10年期間，全世界就組建了500kW以上的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)20多座。如今，在采用Rankine循環(huán)的技術(shù)中，按照集熱溫度的高低，太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電在商業(yè)上沒(méi)有得到大規(guī)模應(yīng)用。主要原因有以下三個(gè)方面：第一，太陽(yáng)能能流密度低，需要大面積的光學(xué)反射裝置和昂貴的接收裝置將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，這一過(guò)程的投資成本占整個(gè)電站投資的一半左右。第二，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率低, 年太陽(yáng)能凈發(fā)電效率不超過(guò)15%。在相同的裝機(jī)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(yáng)能供應(yīng)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(gè)電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了成本。</p><p>　　通天塔太陽(yáng)能發(fā)電站軌道環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　由于太空的太陽(yáng)輻射每平方米可以達(dá)到1353瓦，是地面的5倍以上，在地球同步軌道，99%的時(shí)間可以接受太陽(yáng)能輻射。如果在地球同步軌道上部署寬度為1000米的太陽(yáng)能電池陣環(huán)帶，以轉(zhuǎn)換效率100%計(jì)算，從理論上說(shuō)，其1年接受的太陽(yáng)能輻射，

10、可以為地球可知開(kāi)采石油儲(chǔ)能的能量總和。</p><p>　　目前美國(guó)、日本、歐洲、俄羅斯等都提出了自己的國(guó)際空間太陽(yáng)能電站的構(gòu)想，預(yù)計(jì)投資數(shù)百億美元，建立100萬(wàn)千瓦的商業(yè)性裝機(jī)電站，在2030-2040年投入使用。目前中國(guó)暫時(shí)還沒(méi)有起步。</p><p>　　個(gè)人提出一個(gè)太空太陽(yáng)能發(fā)電站建設(shè)方案——通天塔太陽(yáng)能發(fā)電站軌道環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)分為兩

11、個(gè)系統(tǒng)，通天塔軌道電梯系統(tǒng)和同步軌道環(huán)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　發(fā)電系統(tǒng)原理圖（截自日本動(dòng)漫機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)00）</p><p>　　通天塔系統(tǒng)類似于1895年俄羅斯科學(xué)家首次提出太空梯，基本上就是一條長(zhǎng)長(zhǎng)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(yáng)能或激光能沿纜繩上下運(yùn)動(dòng)。<

12、;/p><p>　　從距離地面3.6萬(wàn)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(lái)運(yùn)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(yù)計(jì)所耗能量不過(guò)為宇宙飛船發(fā)射的1%。英國(guó)一項(xiàng)測(cè)算顯示,用太空軌道電梯運(yùn)送一個(gè)人和行李的費(fèi)用僅相當(dāng)于目前用航天飛機(jī)運(yùn)送的0.25%。負(fù)責(zé)太空升降艙研制的日本太空升降艙協(xié)會(huì)主席小野

13、秋一(音譯)說(shuō):“就像出國(guó)旅行一樣,人人都可以坐著‘電梯’上太空。”</p><p>　　軌道環(huán)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置在高軌道環(huán)，由傍環(huán)而設(shè)的發(fā)電衛(wèi)星收集太陽(yáng)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(fēng)險(xiǎn)，所以采用了另外的對(duì)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(guò)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(guò)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(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星 假想圖（截自機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)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(gè)比較重的物體,放置高軌道部(同步軌道)上方,距地表約5萬(wàn)km,建造在地球和月球的引力中點(diǎn)(兩天體的引力與離心力在拉格朗日點(diǎn)平衡,這個(gè)高度跟L1距地表的距離相當(dāng)……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(wàn)6千km, 用作通訊與軍方的太空作戰(zhàn)和MS停泊用,負(fù)責(zé)監(jiān)控和管理太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星,可搜集與探測(cè)外太空,氣象,海洋,水文,軍事和非軍事設(shè)施份布與活動(dòng),資源份布,交通運(yùn)輸活動(dòng),對(duì)地表進(jìn)行光學(xué)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(shí)三個(gè)天梯在此位置的太空站也用

16、來(lái)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(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)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(wàn)km,透過(guò)流動(dòng)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(qiáng),并使之安定,其形態(tài)設(shè)計(jì)為全長(zhǎng)10萬(wàn)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(gè)小區(qū)域組合而成,平時(shí)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(shè)施建造出來(lái)的,基于在宇宙中活動(dòng)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(zhǎng)且結(jié)實(shí)的繩子,上粗下細(xì),用于連接地面與平衡錘,構(gòu)成纜繩的理想才質(zhì)為強(qiáng)韌且質(zhì)輕的納米碳管,不過(guò)現(xiàn)實(shí)中品質(zhì)最好的碳管,都免不了有缺陷,納米碳管也能強(qiáng)化

18、傳送能源電纜的導(dǎo)電性。</p><p>　　磁懸浮列車(升降機(jī)):依靠磁懸浮來(lái)回于地面與太空站,可運(yùn)人和運(yùn)貨。</p><p>　　地上部分(地面基站):用于將纜繩固定在地面上,同時(shí)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(shí)建設(shè)平衡錘與高軌道太空站作為平衡與建設(shè)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(shí)建造, 兩方面互相配合進(jìn)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(diǎn)會(huì)合</p><p>　　搭配先進(jìn)的自動(dòng)機(jī)器人與自動(dòng)組裝技術(shù),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(dāng)然也不能完全無(wú)人化。</p>

20、<p>　　選擇建于赤道上方的同步軌道上,是因?yàn)檐壍离x心率和軌道傾角均為零,離心率為零,代表較容易建設(shè)天梯的正圓型軌道,傾角為零,代表跟赤道平行且與星球運(yùn)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(yáng)面在無(wú)大氣阻礙的外太空,相對(duì)接近太陽(yáng),加上才料與制造技術(shù)的進(jìn)步,其發(fā)電量將遠(yuǎn)超現(xiàn)在地表上的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施。</p><p>　　方案參考：機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)00中的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)</p&