[논문 리뷰] Towers on the Peaks of Eternal Light: Quantifying the Available Solar Power

Amia Ross, S. Ruppert외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 23.

Building Energy and Comfort Optimization참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 달 남극의 영원한 빛의 정점(Peaks of Eternal Light, PELs)에서 이용 가능한 최대 태양광 에너지를 정량화하며, 탑 높이와 자기 그림자 효과가 에너지 수확에 미치는 영향을 모델링한다. 지형으로부터 2 m에서 2 km 높이의 조명도를 사용하여 분석한 결과, 20 m 높이의 탑은 >70% 조명 조건에서 약 55 MW의 평균 전력을 제공하는 반면, 2 km 높이의 탑은 동일 조건에서 약 21,000 MW의 전력을 확보할 수 있으며, 이는 달의 일주기 동안 상당한 변동성을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 달 남극의 영원한 빛의 정점(Peaks of Eternal Light, PELs)에서 이용 가능한 최대 시간 평균 태양광 에너지를 평가하기 위해.
• 탑 높이와 자기 그림자가 PELs에서 태양광 에너지 수집에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 지속적인 달 표면 운영을 위한 탑 높이, 조명 지속 시간, 전력 출력 간의 상호 교환 관계를 정량화하기 위해.
• 단기(최대 20 m) 및 장기(최대 2 km) 탑 배치에 대한 성능 예측을 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 다양한 탑 높이(2 m에서 2 km)에 대해 고해상도 달 지형 데이터를 사용하여 PELs의 조명 조건을 모델링한다.
• 각 높이에 대해 평균 조명 비율 지ap을 생성하여, 달의 일주기 동안 시간 평균 태양광 노출을 시뮬레이션한다.
• 자기 그림자 효과를 고려하여, 탑이 고위도 지역에 빛을 차단함으로써 실질적인 전력 생성을 감소시킨다.
• 이론적 태양 복사 에너지와 이상적인 태양전지 변환 효율을 가정하여, 시간 평균 조명 비율과 태양 복사 에너지를 기반으로 전력 출력을 계산한다.
• 임무에 필수적인 신뢰성을 반영하기 위해, 다양한 조명 임계값(>70% 및 >90% 조명)에서의 전력 가용성을 평가한다.
• 결과는 시간 평균 전력 추정치로 제시되며, 달의 일주기/야기 주기와 탑 높이에 대한 민감도를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 높이의 탑을 사용할 경우, 영원한 빛의 정점에서 수확할 수 있는 최대 시간 평균 태양광 에너지는 얼마인가?
• RQ2 탑의 자기 그림자가 조명 면적의 이론적 최대값에 비해 실질적인 전력 출력을 얼마나 감소시키는가?
• RQ3 특히 높은 신뢰성 기준(>70% 및 >90% 조명)에서 탑 높이와 전력 가용성 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ4 전력 출력은 달의 일주기 동안 어떻게 변동하며, 다양한 탑 구성에서의 전력 가용성 동적 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 단기 탑(최대 20 m 높이)의 경우, >70% 조명 조건을 요구할 때 PELs에서 이용 가능한 최대 시간 평균 태양광 에너지는 약 55 MW이다.
• 동일한 70% 조명 기준에서, >90% 조명 조건을 요구할 경우 최대 시간 평균 전력은 약 6 MW로 감소하여, 더 엄격한 신뢰성 기준이 반영된 결과이다.
• 미래의 탑(최대 2 km 높이)의 경우, >70% 조명 조건에서 최대 시간 평균 전력은 약 21,000 MW에 이를 수 있으며, >90% 조명 조건에서는 약 5,270 MW에 이른다.
• 1 km 높이의 탑은 동일한 조명 조건에서 2 km 높이 탑에 비해 약 2.7배 적은 전력을 생산한다.
• 달의 일주기 동안 전력 출력의 변동 범위는 1.1배에서 최대 약 3배까지 다양하여, 상당한 시간적 변동성을 보인다.
• 탑의 자기 그림자는 실질적인 전력 생성을 크게 제한하여, 조명 면적의 이론적 최대 전력에 비해 전체 가용 전력이 훨씬 낮아진다.