LSP系统概述

LSP系统的一般特征如图9.4所示。一对能量基地在月球相对的四肢转换可靠太阳能发电微波。从月球上一个给定的能量基地上看，地球停留在天空的同一区域。因此，在一个阴历月的过程中，成对的基地可以连续地向地球上的收集器(称为整流天线)发送能量(如图9.2的右下角所示)。整流天线是厘米大小的电视天线和电整流器的专门类型。他们将微波束转化为电能，并将无污染的电能输出到当地的配电系统和区域电网。整流天线是LSP系统的主要成本因素。图9.4大大夸大了巴西圆圈所描绘的整流天线的大小。图9.4所示的LSP系统可能包括在月球或地球上3到5小时的电力存储。该LSP系统预计将提供比地球上的太阳能装置更便宜、更可靠的电力。

LSP系统(Ref)是一个更先进的参考系统，包括月球轨道上的太阳反射镜(LO)。LO镜像没有在图9.4中显示。LSP系统(Ref)还包括在图9.4所示的中等高度、高倾角地球轨道(EO)上的微波“轨道重定向或反射器”卫星。EO继电器将把LSP光束重定向到地球上的天线，这些天线不能直接查看功率基础。与上文所述的LSP系统相比，整流天线的面积可以减小。LSP系统(Ref)很有可能包含太阳能光电板从每个能量基地(X-limb)穿过月球的边缘。图9.4中没有显示这些x -肢站。

根据关键物理参数和工程参数以及技术水平，对LSP的电力容量进行了预测。详情请参阅Criswell(1994)的表4和Criswell和Waldron的讨论

基础1

基础1

阳光lllllllllll

的来源

权力

微波

微波

许多小整流天线中的一种

图9.4月球太阳能电力系统。

轨道重定向器或反射器

许多小整流天线中的一种

图9.4月球太阳能发电系统示意图。

(1993)．利用20世纪80年代的技术，LSP系统可以在占据月球表面25%的面积的情况下输出20 TWe。在21世纪早期可能出现的技术可以使LSP系统在仅占月球表面0.16%的情况下输出20 TWe。在类似的功率和总能量输出水平下，LSP的能源预计比所有其他大规模电力系统的能源成本更低。成熟系统的电能成本预计低于10 / kwwe -h (Criswell和Waldron, 1990)，可以想象成本会更低。带有地球轨道重定向器的LSP可以为位于地球上任何地方的整流天线提供负载跟踪功率。

操作系统的技术基础

LSP系统是一种非常规的向地球提供商业电力的方法。然而，LSP的关键操作技术已经由NASA和其他机构在高技术准备水平(TRL > 7)上进行了演示。TRL = 7表示在适当的环境中以适当的规模演示了技术(Criswell, 2000)。

能量束被认为是深奥的，是遥远未来的技术。然而，接近商业强度的地月能量束已成为现实。图9.5是波多黎各的阿雷西博雷达拍摄的月球南极的照片。这种技术被用于绘制月球地图，确定月球表面的电学性质，甚至检查极地地区的水冰沉积物(Margot et al.， 1999)。阿雷西博光束以20- 25w /m2的强度穿过上层大气。LSP系统的设计目的是为地球提供低于正午阳光强度20% (<230 W/m2)的能量束。低强度梁在经济上是合理的。从光束散射的微波强度将比持续照射一般人群所允许的强度低几个数量级。

负载跟踪电力，没有昂贵的存储，是非常可取的。绕地球轨道运行的卫星可以将波束重定向到无法观测月球的整流天线上，从而使负载跟踪功率能够传输到地球上任何地方的整流天线上。地球上的整流天线和月球发射机的大小可以允许使用直径为200米到1000米的地球轨道重定向器。重定向卫星可以是反射器或中继器。这项技术比整个技术社区所认识到的要成熟得多。

图9.6是Thuraya-1区域移动通信卫星的艺术家概念图[由阿拉伯联合酋长国的Thuraya卫星电信有限公司运营，于2000年10月送入轨道(许可:波音卫星系统公司)]。圆形反射天线直径12.25米。C. Couvault(1997)报道说，美国国家侦察局已经在地球同步轨道上部署了一颗类似的，但更大的“小号”卫星。据报道，小号反射器的直径约为100米。小号反射器的质量只有几吨，其直径是将低功率光束重定向到地球上直径1公里或更大的整流天线所需的三倍。功率束和重定向卫星可以最大限度地减少对长距离输电线路、相关系统和电力存储的需求。

另外，中继卫星可以接收来自月球的能量束。中继卫星然后将新的波束重新传送到地球上的几个整流天线。无人和载人航天器已经在近地轨道上演示了具有商业级别强度的光束传输。图9.7展示了NASA航天飞机与相控阵雷达。雷达填满了航天飞机的货舱，使合成孔径雷达地球的照片。附近的

图9.6 NRO小号卫星概念。

穿梭时，光束的强度为150 W/m2。这完全在电力商业传输的范围内(卡罗，1996)。

大约每年一次，地球将使所有月球能量基地发生长达3小时的日食。这种可预测的停电可以通过定义容量的电力存储或地球上的备用发电机来适应。或者，一个舰队

图9.7穿梭机合成孔径雷达。

月球轨道上的太阳反射镜可以在日食和日出日落时将太阳能反射到选定的基地。这些太阳能反射器，实际上是太阳帆的类型，将远远低于单位面积，建造和操作的高精度反射器，如图9.6。

9.3.2 LSP示范基地

LSP系统原型功率基础的月球部分如图9.8所示。动力基地是一个完全分段，多波束，相控阵雷达由太阳能．该示范电力基地由数万至数十万个独立的电力地块组成。图中右下方显示了一个演示功率图。一个成熟的功率图会发射多个子光束。

权力图由四个要素组成。这里有太阳能转换器阵列，如图所示为南北向排列的一排排光伏。太阳能通过埋在地下的电线网络收集，并传送到微波发射器。电站可以使用许多不同类型的太阳能转换器和许多不同类型的电-微波转换器。在这个例子中，微波发射器被埋在月球土壤的土堆下，在动力图的地球末端。每个发射器照亮位于其功率图的反地球末端的微波反射器。当从地球上观察时，反射器重叠形成一个充满的透镜，可以将非常狭窄和明确的能量光束指向地球。地球停留在能量基地上方的天空中。

巨大的微波透镜，即图9.2中月球上的圆圈，在月球上需要将窄光束定向到地球上的接收器(>直径0.5公里)。由于月球偶然的自然条件，大镜片是实用的。月球的同一面总是对着地球。因此，图9.8所示的许多小反射器可以布置在月球边缘的一个区域，从地球上看，它们似乎形成了一个单一的大孔径。月球没有大气层，在机械上是稳定的。月球上几乎没有地震。因此，用许多小单元来构造大透镜是合理的。

单独可控的子光束照亮每个小反射器。子束流在向地球移动的过程中相互关联，形成一个能量束流。在成熟的功率基地中，可以有几百到几千套相关的微波发射机。这些多个反射器的布置，可能包括在每个主反射器前面的附加副反射器或透镜，以及发射机形成了一个完全分段的多波束相控阵雷达。

9.3.3月球上由月球材料构成的LSP

为了实现低单位能源成本，LSP系统的月球部分主要由月球衍生组件构成(Criswell, 1996,1995;克里斯威尔

和Waldron, 1993)。工厂，固定的和移动的，从地球运到月球。月球上LSP组件的高产量大大降低了工厂从地球到月球的高昂运输成本的影响。在月球上，工厂生产的LSP组件是其自身质量的数百到数千倍。地面整流天线的建造和运行占工程成本的90%以上。使用月球材料制造生产机器的重要部分和支持月球上的设施可以减少前期成本(Criswell, 1995年a)。在地球上虚拟工作场所的人员可以控制月球上制造和操作的大部分方面(Waldron和Criswell, 1995)。

一个LSP示范电力基地，按规模提供0.01到0.1 TWe的订单，在十年内只需花费200亿美元(Criswell和Waldron, 1993;Glaser等人，1998，第4.11章)。这假设一个或多个国家政府在月球上建立一个永久基地，致力于月球资源的工业利用，用于制造和物流。这样一个基地是国际空间站建成后，世界太空计划的下一个合理步骤。

LSP是实用的80年代技术和低的整体效率转换的阳光到地球上的电力输出-0.15%。到2020年，系统效率有望提高到>35%。一个总效率为35%的LSP系统将只占据月球表面的0.16%，并为地球提供20 TWe。此外，更高的生产效率大大降低了生产过程的规模和前期成本。

图9.8中没有“神奇的”资源或技术。任何少量的月球尘埃和岩石都含有至少20%的硅、40%的氧和10%的金属(铁、铝等)。月尘可以直接用作热、电和辐射屏蔽，可以转化为玻璃、玻璃纤维和陶瓷，并通过化学方法加工成其元素。太阳能电池、电线、一些微电路元件和反射屏都可以用月球材料制成。土壤处理和玻璃生产是主要的工业操作。选定的微电路可以从地球提供。

与地球不同，月球是大面积太阳能转换器的理想环境。太阳到月球表面的通量是可预测和可靠的。没有空气或水来降解大面积的薄膜器件。月球在机械上非常安静。它没有天气、重大地震活动和退化地面设备的生物过程。太阳能收集器可以不受几十年的太阳宇宙射线和太阳风的影响。敏感的电路和线路可以埋在几到几十厘米深的月球土壤下，完全免受太阳的照射辐射、温度极端和微陨石。

美国已经赞助了超过500个百万美元自1969年首次登月以来，对月球样本和地球物理数据的研究。这些知识足以开始在地球上设计和演示关键的月球部件和生产过程。月球探索仍在继续。美国国防部克莱门汀号探测器和月球勘探者号(Lunar .arc.nasa.gov;科学，266:1835-1861,12月16日;Binder, 1998)已经将阿波罗时代的调查扩展到整个月球。

9.4 20twe时LSP系统与其他电源系统的比较

表9.7总结了提供600至960tw -y电力的主要选择的材料和制造规模(Criswell和Waldron, 1990)。第二列在第1行、第2行和第3行表示传统系统在70年期间将使用的燃料。第三栏表示机器生产和维护的规模发电厂并提供燃料。最右边的一栏显示了生产tw -y功率(单位质量)所需的设备总吨位。比质量越高，建立和维护系统所需的努力就越多，环境改变的机会就越大地球生物圈．请注意，月球上的LSP装置在发电方面的质量效率大约是水电大坝的60万倍，比煤炭系统的质量效率高出3000倍。第4排整流天线的估计，假设20世纪70年代的小金属偶极子技术由大铝背板和混凝土支架支撑。整流天线现在可以集成到塑料上的集成电路中，或者可以采用低质量反射器来集中入射的微波。整流天线的比质量可能会降低一个数量级(Waldron和Criswell, 1998)

LSP不具有SSPS的机械直接性。为了实现能量的最低成本，LSP系统需要围绕地球的微波轨道重定向器。与SSPS相比，波束重定向器的特定质量可以非常低，因为它们投射到整流天线的功率。这是因为LSP轨道重定向器在重发射或反射微波方面的效率远远高于SSPS将阳光转化为微波的效率。此外，LSP微波反射器的面积可以比传输相同功率的SSPS小得多。这是因为LSP轨道单元可以被空间中的微波束照亮，其强度大于太阳能强度．从表9.7的第7行可以看出，LSP需要的地面设备和最终材料是所有电力系统中最少的。

如果有必要首先挖掘集水区和河谷，工程师们就不会在地球上建造大型水电大坝。的

表9.7 20twe动力系统地面燃料和设备吨位及能量输出

	燃料(70 y)	装备&种植	总能量	具体的质量
地面系统	(T)	(T)	(TWe-y)	(T / TWe-y)
1.水力和TSP(无储存)	9 X1016	8 x 1010	900	9 X108
2.核裂变(非增殖)	6 X107	2 x1010	600	3 X107
3.煤矿，煤矿和火车	3 X1012	6 x 109	600	1 x107
4.整流天线底座(SPS和LSP)	- - - - - -	4 x109	- - - - - -	4 x106
(电子元件)	- - - - - -	2 x107	- - - - - -	2 x104
空间系统	第一年装备。	总装备。	总能量	具体的质量
(从地球运来的质量)	(T)	(T)	(TWe-y)	(T / TWe-y)
5.地球上制造的SSPS(@10吨/兆瓦)	2 x106	3 X108	600	5 X105
6.来自月球物质的LSPS	2 x107	5 X107	600	8 X104
7.太阳能发电(Ref)	3 X104	3 X106	960	3 X103

水和地理是大自然的礼物，可以最大限度地减少必须移动的泥土量，并使尽可能小的大坝成为可能。月球为21世纪提供了固态的“自然分水岭”。它就在那里，位置正确，由所需的材料组成，没有地球上的环境，而地球上的环境对薄膜固态器件是如此有害。

利用月球材料建造空间太阳能卫星的通用动力学- convair模型(参见第9.2节和图9.3)被用于模拟月球太阳能发电系统的建造(Criswell和Waldron, 1990)。利用月球不再需要在太空中建造超大型平台。LSP组件可以直接用月球材料制造，然后立即放置在现场。这省去了大部分从地球或月球运送到深空的组件的包装、运输和重新组装。深空不需要大型制造设施。与通用动力-康维尔模型相比，这种更加集中的工业过程减少了将组件、制造设施和人员从地球运送到太空和月球所需的火箭数量。如果LSPS和LSP在太空和月球上使用类似的技术进行部署、制造和操作，那么在相似的时间内，在相似的支出水平下，LSP的功率容量可以达到LSPS的-50倍。高级LSP系统侵位随着未来的操作技术、生产过程的更高自动化水平以及使用月球材料来建造更大规模的生产机械元件(Criswell和Waldron, 1990;克里斯威尔,1998 c)。LSP更高的生产效率和更低的成本支持了这样的论断:LSP系统是唯一可能的方法，到2050年为地球提供20 TWe的廉价电力(表9.6，第23行)。

图9.9显示了月球上电力传输能力(动力单元)的增长。安装单元，即图9.8中的移动单元，最初被运送到月球，并产生并放置图9.8中称为功率单元的功率图。随着经验的积累，越来越多的安装单元可以通过主要使用月球资源的制造单元在月球上制造。制造单元可能包含在从地球部署的模块中，如图9.8的中左所示。动力装置的产量可以在不显著增加从地球运输材料的情况下增加(Criswell, 1998c)。电力装置的长寿命和不断增加的产量使得LSP传输能力呈“指数级”增长，向地球输送净新能源的速度也出现了类似的增长。制造单位的发展和月球材料的广泛使用被认为是一个合理的目标(Bekey等人，2000年)。

图9.9 LSP系统从月球输出的能量呈指数级增长。

6二世

功率输出电平(#)

图9.9 LSP系统从月球输出的能量呈指数级增长。

表9.8比较了五个电力系统提供1500 twy能源的估计“中值”生命周期成本。成本以万亿(1 T = 1 X1012)美元为单位。这些估计是基于对利用上世纪90年代技术水平的系统的研究(Criswell, 1997,1997a, 1997b;克里斯韦尔和汤普森，1996)。主要的成本类别是资本、劳动力、燃料以及废物处理和缓解。劳动力、资本和燃料的名义成本取自20世纪80年代对先进煤电厂和核电站的研究(Criswell和Thompson, 1996)。

表9.8中燃煤电厂和裂变电厂的成本与第2节中Nakicenovic等人(1998)的案例A2所描述的“混合”电力系统的估计成本一致，并在表9.1中总结。煤炭和裂变系统的成本有30%用于地区配电系统。Nakicenovic等人(1998)预测到2100年消耗3000 TWt-y能量的混合系统的资本成本为120新台币。这相当于4500行波管-140新台币。表9.8假设所有热能均为负值

表9.8提供1500 twy电力系统的名义成本(新台币)

	煤炭	裂变	TTSP	TPSP	太阳能发电(ref)	太阳能发电(X-limb)	太阳能发电(EO)
劳动	2 o	6 o	113	233	2	3.	7
资本	57岁的阿	713	134度	2166	63	1 o5	286
燃料	243	O	O	O	O	O	O
废物	914	3小时左右	O	O	O	O	O
总计	1746	3773	1452	2399	64	1 o8	TTSP -地热太阳能。 TSPS——地面太阳能光伏发电。 LSP(Ref) -月球太阳能发电系统，在地球轨道上有光束重定向器，在月球轨道上有太阳反射器。 LSP(X-limb) - LSP系统，每个电力基地都有横跨月球边缘的光电场，在月球轨道上没有太阳反射器，在地球上有3小时的电力储存能力。 LSP(无EO) -类似于LSP(X-limb)，但在地球轨道上没有重定向器，并且在地球上至少有18小时的电力存储能力。 注: TTSP -地热太阳能。 TSPS——地面太阳能光伏发电。 LSP(Ref) -月球太阳能发电系统，在地球轨道上有光束重定向器，在月球轨道上有太阳反射器。 LSP(X-limb) - LSP系统，每个电力基地都有横跨月球边缘的光电场，在月球轨道上没有太阳反射器，在地球上有3小时的电力储存能力。 LSP(无EO) -类似于LSP(X-limb)，但在地球轨道上没有重定向器，并且在地球上至少有18小时的电力存储能力。 转换成电能。粗略估计，这使资本设备的成本翻了一番，每吨4500行波管的成本为380新台币。表9.8估计资本成本约570元新台币(仅化石)或713元新台币(仅裂变)，假设技术水平为1980年代，21世纪没有技术进步。案例A2的成本要高得多化石燃料，约830元新台币，高于表9.8中名义情况假设的约243元新台币。 与表9.8中的废物成本相对应的外部性成本为-913新台币，与假设外部性成本与化石燃料价格成正比的情况A2中的-800新台币相当。燃煤电厂和裂变电厂的成本主要是“废物”处理，其中包括估计整个燃料过程(开采到燃烧到处置)对人类健康和环境的损害。 表9.8中的成本估算假设TTSP(热)和TPSP(光伏)系统的规模仅为本地运行1天的储能。这些系统必须大幅扩大规模，为全球电力网供电。Klimke(1997)提供的分析表明，交付1500 TWe-y将花费约10000新台币。电力存储不包括在全球系统的估计成本中。 LSP (Ref)系统开销最小。它利用月球轨道上的反射器在地球月食期间照亮电力基地。它还使用地球轨道上的重定向器为地球上的整流天线提供负载跟踪功率。LSP(Ref)提供1500 tw -y，成本是燃煤系统的1/27。 LSP(X-limb)系统，表9.8的第7列，在绕月轨道上不使用太阳反射器。相反，每个电力基地都提供了一个横跨月球边缘的光伏领域。电力线连接电力基地和额外的光伏发电。地球上提供的能量存储为3twh，电力基础和整流天线略有扩大。LSP(无EO)是在地球轨道上没有重定向器的LSP(X-limb)。地球上大约有18太瓦时的电力储存。假定是深泵水力。电源底座和整流天线在LSP(X-limb)情况下按比例放大。即使是LSP(没有EO)也能以比传统煤或裂变更低的成本提供1500太瓦的能量。LSP系统可以为1500 TWe-y的煤炭运输节省1000万亿美元，为全球太阳能光伏发电节省9000万亿美元。 Criswell和Thompson(1996)分析了10倍的“废物”处理成本变化的影响，以及煤炭、先进核裂变、陆地太阳能热和光伏以及LSP(Ref)系统的劳动力、资本和燃料成本的合理变化。该原型分析发现，LSP(Ref)系统在最终用户电力输送方面的成本比最接近的竞争对手煤炭低10至16倍。 新型混合系统可以大幅度降低成本。Berry(1998:目标方案)提出了一个电力系统规模为美国提供-1.3 TWe。大约45%直接由终端用户使用。大部分(55%)用于制造运输车辆所需的氢气。主要电力来源是风能(0.85 TWe)、太阳能热(0.85 TWe)、水力发电和核能(0.15 TWe)以及分布式光伏发电。能量储存为氢，用于负载水平和峰值。参见Bockris(1980)关于a的早期但广泛的讨论氢经济以及它的技术。 目标方案的一个新颖方面是将氢储存在汽车、货车、卡车、建筑电源和类似电力用户的燃料箱中(Appleby, 1999;劳埃德,1999)。这些车辆在不使用时被假定连接到国家电网。因此，与运输车队和最终用途生产相关的资本也被用于提供“预付”能源存储设施。假设采用非常低成本的先进技术，模拟预测交付最终用途和运输能源的成本为-0.4新台币/ twt -y。一千个十二元的价格是-400新台币。这比一个独立的全球光伏和电力分配系统的成本低50倍。考虑到可逆燃料电池的合理成本，主要关注的是准确了解一个地区或全球最长时间的不合适天气(多云或烟雾天空，低风等)。然而，考虑到生物圈的复杂性，这个“最长”的持续时间基本上是不可知的。LSP系统提供了一个与生物圈分离的电源，可以在雾、云、雨、灰尘和烟雾的所有条件下提供所需的电力。 贝瑞的混合系统，或目标方案，比最便宜的月球太阳能发电系统贵20倍。LSP系统和其他系统也可以使用目标场景的车辆和其他能量存储单元来降低成本。 对于一个能源繁荣的世界来说，电力的总成本是如此巨大，以至于很难理解它们的规模和意义。一种方法是根据表9.1所示的人口假设，计算2000年至2100年世界生产总值(GWP)的简单总和。在20世纪70年代石油中断后的10年里，全球变暖潜能值为4000美元/人。假设21世纪能源受限，全球变暖潜能值不变。总计3900新台币。这个预计中的“贫穷”世界根本无法负担建造和运行所需的地面太阳能系统，到2050年提供2千兆瓦/人或到2100年提供1500千兆瓦/年。如表9.2-9.6所示，通过煤和裂变来提供能源，世界经济将面临极大的压力。 对于情况A, Nakicenovic等人(1998:第6页)，项目A全球经济到2100年，总计将减少12000元新台币。人均收入2000年为4300美元/人，2100年为-30000美元/人。案例A假设大规模使用化石能源和核能不会产生重大的“浪费”成本。他们计划-8800新台币的情况C(大部分可再生能源)。请注意，目前约10%的全球变暖潜能值用于商业能源的生产和消费。这相当于2000年到2100年的240万亿到540万亿美元。这些费用远远低于传统电力系统提供足够电力的成本。但是它们比LSP系统的预期要大。如果一个贫穷的世界只使用传统的电力系统，那么它就必须保持能源匮乏的状态。然而，成本更低的LSP系统电力可以节省资金，最大限度地减少甚至消除与能源生产相关的污染，并加速财富的产生。 作为大规模电力系统，LSP为什么如此吸引人?太阳是一个完全可靠的核聚变反应堆，在我们居住的太阳系内，以高浓度提供免费、无灰的高质量能量。LSP主要以光子的形式处理这种自由太阳能。光子没有重量，以光速传播。因此，被动式和低质量设备(薄膜、二极管、反射器和整流天线)可以在需要能量时，在远距离上收集和引导巨大的能量流，而不需要物理连接。LSP是一种分布式系统，可以在修复和进化过程中持续运行。所有其他电力系统都需要大量的部件来容纳和处理紧张条件下的物质，或者需要大量的设施来存储能量。在太空和月球上的低质量和被动设备，在其使用寿命结束时，制造、维护、退役和回收每单位能量的成本要低于地球上的大型和可能受到污染的部件。 月球是一个独特的适合和可用的天然平台，可以用作发电站。它有合适的材料、环境、机械稳定性、朝向和相对于地球的距离。LSP的主要非地面组件可以由月球材料制成，大型阵列可以安装在月球上。 地球上的整流天线很简单，可以根据需要建造，并开始在小尺寸上产生净收入。在物理和电磁意义上，LSP比任何其他大型电力系统的侵入性都要小得多。大部分电力可以输送到需要的地方。LSP可以为自己的净增长提供动力，并建立新的太空和地球产业。最后，在地球上的人们需要一种新的、清洁的、可靠的能源来创造新的净财富的一段时间内，所有这些都可以用已知的技术来完成。

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