[論文レビュー] Towers on the Peaks of Eternal Light: Quantifying the Available Solar Power

Amia Ross, S. Ruppert+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2021

Building Energy and Comfort Optimization参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、月の南極における永遠の光の峰（PELs）での最大太陽光発電可能性を定量的に評価し、タワーの高さと自己遮蔽がエネルギー収集に与える影響をモデル化している。2 m から 2 km の高度における地形上空の照照明マップを用いて分析した結果、20 m のタワーでは >70% の照照明を満たす条件下で平均して約 55 MW の電力を供給可能であるのに対し、2 km のタワーでは同じ条件で約 21,000 MW の電力を供給可能であることが判明した。発電量には月の1日を通じて顕著な変動が見られることも明らかになった。

ABSTRACT

The Peaks of Eternal Light (PELs), that are largely unshaded regions mostly at the lunar south pole, have been suggested as a source of solar power for mining the water and other volatiles in the nearby permanently dark regions. As mining is a power-intensive activity, it is interesting to estimate the maximum solar power that could be generated at the PELs. Here we use average percentage illumination maps for a range of heights above the local topography from 2 m to 2 km to determine the total power available as a function of time of lunar day. Overshadowing of highly illuminated areas by towers placed in sunward locations (at a given time of day) limits the total power to much smaller values than the highly illuminated area would suggest. We find that for near-term realizable towers (up to 20 m), the upper limit to the time-averaged power available is ~55 MW at >70% illumination, and ~6 MW at >90% illumination. For the more distant future a maximum time-averaged power of order 21000 MW at >70% illumination could be realizable for towers up to 2 km in height, and ~5270 MW, respectively, at 90% illumination. Towers 1 km high provide about a factor 2.7 times less power. The variation with lunar time of day ranges from a factor of 1.1 to ~ 3.

研究の動機と目的

• 月の南極における永遠の光の峰（PELs）での最大時間平均太陽光発電量を評価すること。
• タワーの高さと自己遮蔽が、PELs における太陽光エネルギー収集に与える影響を評価すること。
• 持続的な月面運用を実現するための、タワーの高さ、照照明時間、発電出力のトレードオフを定量化すること。
• 近い将来（最大 20 m）および長期的（最大 2 km）なタワー設置の性能推定値を提供すること。

提案手法

• 本研究は、さまざまなタワー高さ（2 m から 2 km）における照照明状態をモデル化するために、高分解能の月面地形データを用いた。
• 各高さについて、月の1日を通じた時間平均の日照率をシミュレートし、平均日照率マップを生成した。
• 自己遮蔽の影響を考慮した。タワーが高緯度地域に隣接する領域を遮ることで、実効的な発電量が低下する。
• 時間平均の照照明率と太陽放射照度に基づいて、理想的な太陽電池変換を仮定して発電量を計算した。
• ミッションに不可欠な信頼性を反映させるために、照照明閾値（>70% および >90%）を異なる条件として評価した。
• 結果は、月の1日/夜サイクルおよびタワー高さに敏感な時間平均発電量推定値として提示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまな高さのタワーを用いた場合、永遠の光の峰で収集可能な最大時間平均太陽光発電量はどれほどか？
• RQ2 タワーによる自己遮蔽は、照照明領域の理論的最大発電量に比べて、実効的な発電量をどの程度低下させるか？
• RQ3 特に高い信頼性要件（>70% および >90% の照照明）を満たす場合、タワーの高さと発電量のトレードオフはどのようなものか？
• RQ4 発電量は月の1日を通じてどのように変動し、異なるタワー構成における発電量の動的範囲はどの程度か？

主な発見

• 20 m までの近い将来のタワーでは、>70% の照照明を要件とする条件下で、PELs での最大時間平均太陽光発電量は約 55 MW に達する。
• 同じ 70% の照照明閾値において、>90% の照照明を要件とすると、最大時間平均発電量は約 6 MW に低下し、より厳しい信頼性要件が反映されている。
• 将来的なタワー（最大 2 km）では、>70% の照照明条件下で最大時間平均発電量が約 21,000 MW に達し、>90% の照照明条件下では約 5,270 MW に達する。
• 1 km のタワーでは、同じ照照明条件下で 2 km タワーの約 2.7 倍の発電量にとどまる。
• 月の1日を通じた発電量の変動は、1.1 倍から最大で約 3 倍まで変動し、顕著な時間的変動が確認された。
• タワーによる自己遮蔽は、照照明領域の理論的最大発電量に比べて、実効発電量を著しく制限しており、理論最大値に遠く及ばない。