[论文解读] 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 4

一句话总结

本文量化了月球南极峰顶永恒光照点（PELs）可获得的最大太阳能功率，通过建模塔高和自遮挡对能量产出的影响。利用海拔2米至2公里的地形上空的光照地图，研究发现20米高的塔在光照时间超过70%的条件下可提供约55兆瓦的平均功率，而2公里高的塔在相同阈值下可实现约21,000兆瓦的功率，且在月球白昼周期内存在显著波动。

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.

研究动机与目标

• 评估月球南极峰顶永恒光照点（PELs）可获得的最大平均时间太阳能功率。
• 评估塔高与自遮挡对PELs太阳能收集的影响。
• 量化塔高、光照持续时间与功率输出之间的权衡，以支持长期月球表面任务。
• 为短期（最高20米）和长期（最高2公里）塔部署提供性能估算。

提出的方法

• 本研究使用高分辨率月球地形数据，对不同塔高（2米至2公里）下的PELs光照条件进行建模。
• 为每种塔高生成平均光照百分比地图，模拟月球白昼周期内对阳光的平均照射时间。
• 分析中考虑了自遮挡效应，即塔体遮挡阳光照射到邻近高纬度区域，从而降低有效发电量。
• 基于平均光照比例和太阳辐照度计算功率输出，假设光伏转换效率理想。
• 模型评估了在不同光照阈值（>70%和>90%）下的功率可用性，以反映任务关键的可靠性要求。
• 结果以平均时间功率估算形式呈现，同时分析其对月球昼夜周期和塔高的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过不同高度的塔，峰顶永恒光照点可采集的最大平均时间太阳能功率是多少？
• RQ2 塔体自遮挡如何使有效功率输出低于光照区域理论最大值？
• RQ3 在高可靠性阈值（>70%和>90%光照）下，塔高与功率可用性之间的权衡关系如何？
• RQ4 功率输出如何随月球白昼周期变化？不同塔配置的功率可用性动态范围是多少？

主要发现

• 对于短期部署的塔（最高20米），在要求光照时间超过70%的条件下，PELs可获得的最大平均太阳能功率约为55兆瓦。
• 在相同的70%光照阈值下，当要求光照时间超过90%时，最大平均功率降至约6兆瓦，反映出更严格的可靠性约束。
• 对于未来部署的塔（最高2公里），在>70%光照条件下，最大平均功率可达约21,000兆瓦；在>90%光照条件下，约为5,270兆瓦。
• 在相同光照条件下，1公里高塔的功率输出约为2公里高塔的2.7倍。
• 功率输出在月球白昼周期内的波动范围为1.1至约3倍，表明存在显著的时间波动。
• 塔体自遮挡显著限制了有效发电能力，使总可用功率远低于光照区域的理论最大值。