So dimensionieren Sie Solar-Arrays für die Marsoberfläche

In der Regel ist es einfacher, zunächst den Energiebedarf Ihrer Anlage zu ermitteln. Das haben Sie bereits getan - vorausgesetzt, die ISRU-Anlage muss kontinuierlich mit 10,1 kW pro Sol betrieben werden:

Die Solaranlagen müssen in der Lage sein, jedes Sol so viel Energie zu erzeugen, um die Treibmittelproduktion kontinuierlich am Laufen zu halten. Sie müssen die Fläche der Solaranlagen schätzen, die benötigt wird, um diese Energiequote zu produzieren.

Integrieren Sie zuerst das Sonnenflussprofil, um die Sonneneinstrahlung pro Sol (gemessen in Einheiten Wh/m ² /Sol) zu erhalten. Dann multiplizieren Sie diesen Wert mit dem erwarteten Wirkungsgrad der Solarzellenumwandlung, um die von den Solaranlagen pro Flächeneinheit erzeugte Solarenergie zu erhalten. (Beachten Sie, dass die Zellumwandlungseffizienz nicht einfach zu berechnen ist, da sie von Temperatur, Lichtdämpfung in der Atmosphäre, optischer Tiefe, Sonnenlänge des Mars usw. abhängt, aber für eine Schätzung erster Ordnung könnten ~ 20 % ausreichen, wenn Sie 3G30C-Zellen in Betracht ziehen ). Sie können diesen Wert nun verwenden, um die Fläche der Solaranlage zu berechnen, die benötigt wird, um ~249 kWh pro Sol bereitzustellen.

Um die Masse dieses Systems abzuschätzen, können Sie anhand von Online-Informationen einige Annahmen über ultraflexible Arrays treffen:

• Flexible ausklappbare Arrays können eine spezifische Leistung von bis zu 80-150 W/kg bei 1AU haben. ( https://www.lpi.usra.edu/opag/meetings/aug2015/presentations/day-2/11_beauchamp.pdf )

• Die Phoenix-Mission (die eine ähnliche Technologie verwendete) hatte kreisförmige Solarfelder mit einem Durchmesser von ~2,1 m (Fläche ~3,5 m^2). https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/insight/landing/download/mars_insight_landing_presskit.pdf

Anhand dieser Werte können Sie die ungefähre Leistung berechnen, die ein Array bei 1 AE erzeugt. Unter der Annahme eines Solarflusses von ~1360 W/kg und einer Zelleffizienz von ~30% würde darauf hindeuten, dass die ausklappbaren Arrays eine Flächendichte zwischen 2,7–5,1 kg/m 2 haben können (abhängig von der angenommenen spezifischen Leistung ⁾ . Sie können diesen Wert dann mit Ihrer berechneten Gesamtfläche der Solaranlage verwenden, um die Masse abzuschätzen.

Um die Batterien zu dimensionieren, berechnen Sie, wie viel der 249 kWh Gesamtenergie außerhalb der Sonnenstunden bereitgestellt werden muss (dh ein Vielfaches der 10,1 kW mit der Zeit, die die Batterie für den Betrieb benötigt). Beachten Sie, dass mit der Speicherung von Energie in der Batterie während der Sonnenstunden einige Umwandlungsverluste verbunden sind. Dies würde den im ersten Schritt berechneten Gesamtenergiebedarf erhöhen.

Für eine zusätzliche Gutschrift möchten Sie möglicherweise auch die Auswirkungen einer der folgenden Punkte berücksichtigen:

• Staubansammlung auf den Solarfeldern mit Einsatzdauer
• Variationen des Sonnenflussprofils als Funktion von Breitengrad, Sonnenlängengrad und optischer Tiefe (d. h. wo auf der Marsoberfläche sich die Pflanze befindet, Marssaison, Dauer des Sonnenlichts an einem bestimmten Tag)

Diese wirken sich auf die Strommenge aus, die die Solaranlagen an einem bestimmten Tag sammeln können. Einige Inputs zur Bewertung finden Sie hier: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19890018252/downloads/19890018252.pdf

Da dieses Problem jedoch für eine Bewertung vor Phase A gilt, ist Ihr konstantes Sonnenflussprofil wahrscheinlich repräsentativ genug, um die Machbarkeit zu bewerten.

Ich mag diese Frage und den breiteren ISRU-Rückgabetreibstoff für den Mars im Allgemeinen. Also dachte ich, ich würde meine zwei Cent wert werfen, obwohl ich nicht qualifiziert bin ... Beginnen wir also mit der Dimensionierung eines erdbasierten 10-kW-Solarmodulsystems und skalieren von dort aus. https://www.sunpowerbythesolarquote.com/post/10 kW-Solar-System

... Das bedeutet, dass Sie für die Installation der Paneele für dieses System etwa 660 Quadratfuß Dachfläche benötigen. Ein 10-kW-System besteht aus insgesamt 30 bis 40 Modulen, abhängig von der Effizienz der von Ihnen gewählten Module ... Insgesamt erzeugt dieses System etwa 10.000 Watt Strom pro Stunde, wie durch Laborstandardtests definiert ... Dies gliedert sich auf durchschnittlich zwischen 29 und 46 kWh pro Tag.

Nehmen wir also an, wir befinden uns in der Nähe des Marsäquators und verbrauchen die 45 kWh pro Tag multipliziert mit 0,59, da der Mars weniger Sonnenenergie erhält als die Erde.

Ich verwende einen 24-Stunden-Tag, aber das sollte sich nicht auf den durchschnittlichen Energiebedarf auswirken. Erhöhen Sie einfach die Batterien ein wenig für die zusätzliche Stunde pro Tag. Dieses 30-Panel-System auf dem Mars würde Folgendes erzeugen:

Ein 300-Panel-Mars-System könnte also kontinuierlich 10 kW mit Batteriespeicherung und mit einer Spitzenleistung von 59 kW bei einer Fläche von etwa 1,6 m ² pro Panel erzeugen , sodass der kontinuierliche 10-kW-Solarpark von Mars insgesamt 25 x 20 Meter groß sein könnte.

Deine beiden Modelle sind nicht wirklich vergleichbar. Eine Solaranlage besteht aus den Zellen (plus Verkabelung usw.) und dem Substrat (dh womit die Zellen verbunden sind). Das UltraFlex Solar Array ist das Ganze, während die Azur-Zellen nur das sind – die Zellen allein. Das Substrat trägt eindeutig erheblich zur Masse bei. Wenn Sie Mechanismen zum Aufklappen der Paneele haben, müssen diese ebenfalls enthalten sein. Ohne einen genauen Blick ist es wahrscheinlich nicht allzu weit hergeholt anzunehmen, dass man Aspekte des UltraFlex mit den besseren Zellen koppeln könnte.

Es ist auch ein Kompromiss mit der Batteriegröße zu berücksichtigen. Die Batterie wird nicht klein sein. Wenn Sie sich also Sorgen um die Masse machen, müssen Sie dies wahrscheinlich in die Gesamtleistungsentscheidung einbeziehen.