工程师们正在研究可以在月球上使用的太阳能微电网

2022年05月24日 16:28 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

下次人类登陆月球时,他们打算停留一段时间。对于Artemis计划,美国宇航局及其合作者希望在月球上建立一个可持续存在的月球基地,这包括建立一个可以让宇航员生活和工作的基地。一个正常运作的月球基地的关键因素之一是电力供应。美国桑迪亚国家实验室—一个专门为军事基地建造微电网的研发实验室,正在与美国宇航局合作,设计一个可以在月球上使用的微电网。

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月球基地有望成为人类冒险进入更远的太空的技术试验场--比如说航行到火星。因此,电网将不仅仅是保持灯光和空气流通,还将支持采矿和燃料加工设施,这些设施将同时工作以减少来自地球的供应需求。

当然,为月球基地设计一个微电网与为地球上使用的类似设置之间有一些区别。桑迪亚国家实验室的电气工程师Rachid Darbali-Zamora说,值得注意的是,它将需要维持宇航员的生命,而不仅仅是支持传统的家庭负荷。为此,能源储存和电源管理将是至关重要的。

月球栖息地将包括一个生活单元以及一个采矿和加工中心,它将生产水、氧气、火箭燃料等。因此,桑迪亚国家实验室的工程师们正在研究两个直流微电网,用一条连接线将它们连接起来。

桑迪亚的另一位电气工程师Lee Rashkin说,他们正在努力确定该连接线的参数。他说:“我们正在考虑(比两个负载中心)高一点的电压,因为(它们)之间必须跨越几公里。”他补充说,在更高的电压下推送电力会更容易,因为它需要更少的电流,使之更容易一点。

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Rashkin说,居住单元将与国际空间站的大小差不多,采矿和加工中心则稍大一些,它们之间的距离约为10公里。虽然这两个系统将被设计为自给自足,但“连接线的存在主要是为了实现冗余”。他说:“如果栖息地的一个(光伏)发电机发生意外,它可以输入电力来维持这些负载,这对维持人们的生命至关重要。”

Darbali-Zamora补充说,每个系统也将有自己的冗余、改线和重新配置能力。“因此,如果月球栖息地的某条线路是为关键负载服务的,而这条线路发生故障,就有机制来重新分配电力,以便从一个来源接收。”

由于计划中的月球基地的部分将分布在月球表面,工程师们还预计将有大量的电力电子设备和分布式能源资源。Rashkin说:“电力电子技术本质上相当于一个齿轮箱。就像齿轮箱从一个速度和扭矩值转换到另一个速度和扭矩值一样,电力电子技术可以从一个功率和电压水平转换到另一个。 这些电力电子转换器将是管理电池或太阳能电池板和主总线之间电力的关键。”

主要能源将是太阳能,并以电池作为补充。与地球不同,月球上没有云层遮挡,这意味着月球表面接受更多的直接阳光。Darbali-Zamora认为这在某些方面是一个优势,但他们必须考虑到月球的夜晚,大约是两个地球星期的时间。

Darbali-Zamora说,有一些储能选择,这取决于他们想要什么样的电池材料或化学成分。“但是我们的想法是,当有更多的太阳能发电和负载需求时,太阳能电池板将为电池充电,”他说。“我们正在做的部分工作是定义管理控制,确保电池不会完全耗尽,并确保太阳能电池板的发电、负载的消耗和电池的充放电之间有协同作用。”

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为了做到这一点,工程师们拥有基于时间尺度的控制装置--从以亚毫秒速度运行的装置到以天为单位的装置,规划出任何时候需要的充电状态。Rashkin补充说:“对(后一种)控制水平的限制之一是,在太阳消失时,储能装置需要完全充电。”

所有的测试和调整将在阿尔伯克基的桑迪亚安全可扩展微电网试验台进行。Rashkin说:“我们有为月球基地计划的所有(规格)的模拟能力。该测试平台可用于建立一个按比例缩小的月球微电网的代表,并用于研究电力系统控制器、储能、电力电子和分布式能源。我们正计划用它来进行大量的控制设计分析。”

一旦他们有了控制,Rashkin的团队将把它交给Darbali-Zamora的团队,在桑迪亚的分布式能源技术实验室进行测试。有了电源硬件在环能力,他们可以在模拟环境中测试物理设备,如Rashkin团队建造的控制器,如月球基地模拟器。Darbali-Zamora说:“我们甚至可以模拟两个独立的系统--例如,在一个模拟器中模拟月球栖息地,在另一个模拟器中模拟采矿和生产,以及连接线或组成这个连接线的转换器。”

在他们的工作最终出现在月球上之前还有一段路要走,但两位工程师都指出,他们正在做的工作与他们在陆地上做的事情并没有完全脱钩。Darbali-Zamora说:“我们希望我们在这个项目中发现的许多解决方案可以在地球上实施”,以建立更好和更有弹性的系统。

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