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在月球上供电很难吗?这个马上就能变成现实了

在月球上供电很难吗?这个马上就能变成现实了

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桑迪亚的研究人员正在与美国宇航局合作,为月球设计一个未来电网。


这不是桑迪亚第一次与美国宇航局合作为月球上的设备供电。事实上,桑迪亚为许多阿波罗任务的月球实验提供动力的放射性同位素热电发电机提供过技术指导。


美国宇航局的阿尔忒弥斯月球基地概念计划是,它将作为人类最终探索火星的技术试验场。大本营概念包括一个居住单元,最多可容纳四名宇航员,以及单独采矿和燃料加工的潜力,称为就地资源利用设施。早期的阿尔忒弥斯任务将包括在大本营短暂停留,目标是停留两个月。



采矿和加工设施可以生产火箭燃料、水、氧气和其他材料,以扩大月球表面探索,同时减少地球的供应需求。该设施将位于远离大本营的地方,因此在那里进行的其他科学和技术活动不会受到干扰,但两个单元的电网将在紧急情况下连接起来,以实现弹性和稳健性。


桑迪亚团队的一部分,包括电气工程师 Lee Raskin 和控制工程师 Dave Wilson,正在为采矿和加工中心的微电网设计电气系统控制器。NASA 正在为居住单元设计电气系统控制器,因为该系统将与国际空间站的直流电气系统非常相似。Flicker 和他的团队成员正在开发连接两个微电网的系统,并正在研究两个微电网之间的潮流和运行。


像国际空间站型微电网这样的东西与具有月球基地程度的东西之间存在一些非常重要的区别,其中一个差异是地理规模,这可能是个问题,尤其是在低直流电压下运行时。另一个是当你开始扩展这些系统时,将会有更多的电力电子设备以及更多的分布式能源整个基地都将存在资源。很长一段时间以来,桑迪亚一直在研究具有大量分布式能源的微电网。


分布式能源是较小的电力来源,例如太阳能电池板和风力涡轮机,而电力电子设备是诸如转换器之类的设备,可保持电气系统在规格范围内运行。


自 2021 年初夏以来,Lee Raskin 和 Dave Wilson 一直在设计用于调节采矿和加工中心电力的软件。Wilson 将他们的控制器与标准汽车中的巡航控制系统进行了比较,因为它在电网上保持均匀的电压水平,尽管改变外部环境。



控制器需要能够在几个不同的时间尺度上保持均匀的电压水平,从不到千分之一秒到季节。威尔逊说,在控制软件的最高级别,从分钟到季节,人们可以控制哪些太阳能电池板发电以及打开哪些用电设备。然而,在最低水平,不到千分之一秒,控制器需要快速自动运行,以将输出保持在所需水平。


研究的目标是提出一个月球能量管理系统,可以在所有这些时间尺度上有效地维持一个水平系统,有专门的安全可扩展微电网设施和控制系统设计方法来分析这一点。该设施还有专门的储能仿真器,可以确定基本需求及其要求的储能规格。


Secure Scalable Microgrid Testbed 是一个独特的桑迪亚研究设施,团队将使用它来微调他们的控制系统。他们还将使用该试验台研究有关电力系统控制器的问题,以及直流微电网上分布式能源、储能和电力电子设备之间的相互作用,该直流微电网是最终月球微电网的缩放和简化表示。大多数陆地微电网和一般的陆地电网都依靠交流电运行。


与高端模型火车组一样,该测试台由三个互连的直流微电网组成,并带有定制的电子设备,以模拟不同的电力生产系统和使用电力的设备。他们可以模仿的发电系统包括柴油发电机、光伏阵列、储能模拟器和电源转换器。每个仿真器都可以由计算机控制,并且可以配置微电网以测试无数种场景。这为使用稍微调整的控制软件运行重复实验提供了一个极好的平台,以比较系统的响应方式。


桑迪亚研究人员的第二个主要重点是开发将采矿设施和居住单元微电网连接起来的系统,以实现弹性和稳健性。在微电网中获得弹性有两种主要方法。一是能够灵活地将电源路由到需要的地方。Flicker 说,另一个是超大尺寸,以确保即使多件事情发生故障也有足够的动力。


Flicker 的团队成员也在探索两个微电网之间的连接如何运作。研究人员正在研究采矿设施和居住单元之间的距离对传输效率和稳定性的影响,无论它们相距 5 英里还是 20 英里。该团队还在确定连接应该运行的最佳电压,以及它是否会产生感觉连接保持直流,或者美国宇航局是否应该转换为交流以进行旅行,然后在到达居住单元后返回直流。


桑迪亚的分布式能源技术实验室用于研究将风力涡轮机和太阳能电池板等可再生能源资源整合到更大的能源系统中。该实验室的优势之一是硬件在环实验。这类实验涉及将真实的硬件连接到软件,这些软件可以使硬件经受各种模拟场景,包括灾难性的停电和天气条件。这些实验是纯模拟和现场测试之间的中间步骤。


通过在实验室中构建的这种直流电源硬件在环设置,可以测试电源转换器、月球设施之间的电线阻抗;我们还可以测试实际的能量生成和存储设备,可以用它来研究各种情况,这样我们就可以设计一个自我维持的系统,即使太阳能电池板阵列出现故障也能继续运行。


该团队还将使用 Kirtland 空军基地的 Emera DC 微电网来了解电力电子密集型系统如何在低能耗应急情况下运行并根据需要传输电力。


注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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