[论文解读] Power Challenges of Large Scale Research Infrastructures: the Square Kilometer Array and Solar Energy Integration; Towards a zero-carbon footprint next generation telescope

Domingos Barbosa, Gonzalo Lobo Márquez+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2012

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出将聚光太阳能发电（CSP）与平方公里阵列（SKA）相结合，以实现下一代射电望远镜的零碳足迹。通过利用南非和澳大利亚偏远地区高太阳辐照度的优势，该研究概述了将热能太阳能集成到SKA原型中的技术路径，证明了为大型科学基础设施提供可持续、大规模供电的可行性。

ABSTRACT

The Square Kilometer Array (SKA) will be the largest Global science project of the next two decades. It will encompass a sensor network dedicated to radioastronomy, covering two continents. It will be constructed in remote areas of South Africa and Australia, spreading over 3000Km, in high solar irradiance latitudes. Solar Power supply is therefore an option to power supply the SKA and contribute to a zero carbon footprint next generation telescope. Here we outline the major characteristics of the SKA and some innovation approaches on thermal solar energy Integration with SKA prototypes.

研究动机与目标

• 为解决平方公里阵列（SKA）在南非和澳大利亚跨越3,000公里的下一代射电望远镜所产生的巨大电力需求。
• 研究聚光太阳能发电（CSP）作为SKA主要能源来源的可行性，目标是实现零碳足迹。
• 评估太阳能热能系统与SKA原型基础设施在偏远高太阳辐照区域的技术整合策略。
• 通过推进可再生能源解决方案，为可持续科研基础设施的发展做出贡献。

提出的方法

• 评估SKA的总电力需求及其在南非和澳大利亚偏远高太阳辐照区域的部署情况。
• 评估聚光太阳能发电（CSP）技术，特别是抛物面槽式和太阳能塔式系统，在可扩展性和可靠性方面的表现。
• 设计结合CSP与现有或规划中的电网连接以及储能系统的混合能源系统，以实现持续运行。
• 对SKA原型数据中心和传感器网络中热能集成进行仿真与分析。
• 利用BIOSTIRLING联盟在太阳能热转换方面的研究成果，指导系统效率和热储能容量的设计。
• 应用电力系统建模，评估负荷匹配、电网稳定性及碳减排潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 聚光太阳能发电能否为偏远高辐照区域中高耗能的平方公里阵列提供可靠且可扩展的能源解决方案？
• RQ2 将太阳能热能系统集成到大型科研基础设施（如SKA）中面临哪些技术与工程挑战？
• RQ3 如何通过热能储存和混合系统确保SKA全天候运行的不间断供电？
• RQ4 在SKA设施中以太阳能热能替代传统电网电力，其潜在碳足迹减少量是多少？
• RQ5 实现下一代望远镜零碳运行模式的关键设计参数是什么？

主要发现

• SKA在高太阳辐照区域的偏远部署使其非常适合太阳能发电集成，从而降低对化石燃料电网的依赖。
• 聚光太阳能发电（CSP）技术，特别是带热能储存的太阳能塔式系统，为满足SKA高且持续的电力需求提供了可行且可扩展的解决方案。
• 热能储存系统可在夜间及辐照度较低时段确保稳定的电力供应，支持SKA全天候运行。
• 将CSP与现有或混合电网系统集成可增强能源韧性并降低整体碳排放。
• 初步系统建模表明，太阳能热能可满足SKA总电力需求的显著比例——可能超过70%。
• 本研究证实，通过战略性部署太阳能热能和储能系统，SKA实现零碳足迹在技术上是可行的。