El desafío de la transmisión de energía desde el espacio
Siempre atenta a mostrar las alternativas energéticas amigables con el medio ambiente, la web Chilerenovables.cl publicó un artículo en donde un ingeniero criollo explica lo que podría llegar a ser la transmisión de energía (solar) desde el espacio vía ondas hacia la Tierra.
Hace tiempo lo habíamos invitado a escribir y al fin se animó. Para Chile Renovables es relevante contar con la colaboración de Javier Hueichapan, ingeniero civil electricista especializado en telecomunicaciones y con un entusiasta e incipiente conocimiento en energías renovables no convencionales.
Actualmente se encuentra estudiando un Magister Ingeniería de la Energía (PUC), aunque laboralmente está dedicado a las telecomunicaciones.
Transportar energía ha sido uno de los grandes problemas que ha debido afrontar la ciencia. Actualmente se opta por transferirla en grandes cantidades entre subestaciones y lugares de generación usando cables montados sobre torres de alta tensión; para esto se usan principalmente voltajes continuos (DC) ya que estos minimizan las pérdidas que provocan los cables al convertirse en inductancias. Por lo tanto, una de las grandes ventajas que tendría transmitir energía sin usar cables sería que se acabarían las pérdidas asociadas al cable.
La transferencia de energía vía ondas en el espacio tiene otras complejidades, el aire posee una atenuación dependiendo de la frecuencia a la que se transmite, las pérdidas que deben soportar los elementos que componen un sistema de transferencia de energía deben limitarse al mínimo, debe acoplarse perfectamente el transmisor con el receptor, la eficiencia debe alcanzar valores altos para que sea rentable transmitir energía desde el espacio, etc.
Históricamente se concluyó que las ondas se transmiten en mejores condiciones en la atmósfera, minimizando pérdidas, están en la banda de frecuencia de microondas. A éstas se denominan aquellas ondas cuya frecuencia se encuentran dentro del rango de 300 MHz y 300 GHz. Es un rango amplio y que se usa en variadas aplicaciones, que van desde los hornos de microondas (2.45 GHz), bandas de radiofrecuencia como las UHF (0,3 a 3 GHz), bandas de telefonía celular (800 MHz, 1,9GHz, etc), radares, etc.
Las microondas al ser ondas electromagnéticas llevan energía en su desplazamiento por el medio. Esta energía depende inversamente de la longitud de onda según la formula:
E=hc/(longitud de onda)
Por tanto las microondas al ser una frecuencia alta en comparación con otras ondas de radio (por ejemplo, las ondas usadas en radiodifusión que son del orden de 1.000 kHz, y energía 10-27 Joules). Se tiene que las microondas pueden transmitir mayor cantidad de energía (del orden de 10-30 Joules).
HISTORIA
Nikola Tesla en 1904, trató sin éxito, de realizar una transmisión de energía usando ondas de frecuencia de 150 kHz, sin embargo, a ese nivel de frecuencia es muy baja la energía que se puede transmitir debido a las pérdidas por atenuación del medio [1].
A partir de la segunda mitad del siglo XX, se comienzan a realizar experiencia similares, pero con mejores resultados debido a los avances tecnológicos. William Brown [1], [2] en 1964 demostró con éxito la transmisión de energía realizando el vuelo de un helicóptero alimentado con microondas, lográndose una potencia recibida en el helicóptero de 270 W. Para esta experiencia se usó frecuencia de 2.45GHz.
En 1968 Brown desarrolló el primer dispositivo receptor, y transformador en voltaje DC, de ondas de microondas denominado rectenna [3].
En 1975 se obtuvo un record de eficiencia de 84% en la transferencia y conversión de microondas a voltaje DC en JPL Goldstone Facility, California [4]. En este caso se usó una antena parabólica para emitir y una rectenna de 25 m2 para recibir desde 1,6 km. de distancia, la potencia a la salida de la rectenna fue de 30 kW [2].
En paralelo a esto, en 1968 [2] Dr. Peter Glaser propuso la idea de colocar un Solar Power Satellite (SPS) en una órbita estacionaria, el cual recibiendo la energía solar a través de paneles fotovoltaicos y convirtiendo esta energía en un rayo de microondas, podía ser dirigido a la Tierra y nuevamente convertido a Energía Eléctrica. Un nuevo concepto de fuente de energía había nacido.
En los Estados Unidos las MTP (transmisión de energía vía microondas) fueron analizadas intensamente en los años 1970s para buscar obtener el desarrollo de la tecnología. Esto fue analizado por el U.S. Department of Energy (DOE) y por la National Aeronautics and Space Administration (NASA). Se realizaron distintos estudios y ensayos desde esa fecha, los cuales descubrieron y motivaron el desarrollo de esta técnica. En el año 2000, NASA asumió la cabeza del programa SSP Exploratory Research and Technology (SERT) [1]. Un estudio generado por National Security Space Office (NSSO) en 2007, concluyó que “Space Solar Power (SSP) posee un enorme potencial para seguridad de la energía, desarrollo económico, mejora de la gestión ambiental, adelanto de la tecnología espacial, y seguridad nacional total para las naciones que posean capacidad de desarrollarla.” Por tanto, se retomó fuertemente el desarrollo y pruebas de esta tecnología, principalmente en Estados Unidos y Japón.
En 2001, la Agencia espacial Japonesa (Nasda), anuncia que trabajará en la investigación y en el desarrollo de un prototipo que sea capaz de generar de 10 kW a 1 MW. Estos planes continúan, y en 2009 se anuncia que en 2030 se tendrá el primer prototipo de satélite orbitando.
ELEMENTOS QUE CONFORMAN UN SISTEMA SPS-MPT
Los elementos que conforman un sistema MPT son: Paneles Solares, Transmisor Retrodirectivo, Medio de Transmisión, y Rectenna.
Paneles Solares
Están ubicados en el satélite y deben ser capaces de producir voltajes que alimentarán el Transmisor Retrodirectivo. La eficiencia para generar fotones debe ser alta, además que su vida útil también debe considerar que enfrentarán continuamente altas radiaciones solares, ya que no existe la atenuación de la atmósfera. En la órbita geoestacionaria se tiene una radiación de aproximadamente 1.358 W/m2. Se estima que la eficiencia de la conversión tiene un rango de 35 a 50% [8]
Transmisor Retrodirectivo
Este elemento consiste en un tubo trasmisor de microondas de alta energía, el cual debe emitir la onda en la dirección de las señales piloto entrantes al transmisor. Este equivale a una rectenna inversa. La generación del rayo de microondas debe hacerse a las frecuencias de 2.45 ó 5.8 GHz debido a que éstas presentan la menor atenuación en la atmósfera. Esta conversión (de voltaje DC obtenido por los paneles fotovoltaicos a microondas) es recomendable que tenga una eficiencia de alrededor de 80% [8].
Medio de Transmisión
Corresponde a la atmósfera entre el satélite geoestacionario (SPS) y la rectenna ubicada en la Tierra. Ya que en las bandas de 2,45 ó 5,8 GHz existe baja atenuación para las ondas en dichas frecuencias, éstas son las bandas a utilizar. El objetivo de eficiencia es de alrededor de 90% [8].
Rectenna
Su función consiste en convertir y rectificar la microonda recibida en Tierra en voltaje DC. Está compuesta por una antena receptora, un filtro pasabajos de entrada, un circuito rectificador, y un filtro pasabajos de salida. Este elemento puede alcanzar sobre un 90% de eficiencia en la transformación [6].
Otro dispositivo que realiza la misma función es el conversor de onda ciclotrón (cyclotron wave converter, CWC), el cual es un dispositivo de tubo de microonda que convierte la onda en energía cinética a través de un rayo de electrones a través de la resonancia del ciclotrón. Esta energía cinética es convertida en DC por medio de la des aceleración del rayo de electrones. La eficiencia de este método es similar al obtenido por Brown (90%) [7].
En el siguiente diagrama se puede visualizar un ejemplo de configuración.
Figura 1. Ejemplo de un sistema de SPS
A modo de ejemplo, con estos elementos y una configuración que incluya los siguientes elementos:
- 24 SPS en órbita geoestacionaria
- transmisión a 2.45 ó 5.8 GHz
- rectena de 6.5 x 8.5 Km de recepción en Tierra
Se obtendría, teóricamente una potencia de 1.2 GW [8].
RESUMEN
La transmisión de energía vía microondas (MPT), es una tecnología que permitirá en un futuro recibir energía eléctrica a partir de paneles solares fotovoltaicos ubicados fuera de la Tierra.
Estos paneles se ubicarán en Satélites de Energía Solar (SPS) los cuales, mediante dispositivos de conversión de voltaje a ondas de la frecuencia de microondas, ejecutarán una transformación de esta energía en una radiación emitida a través de un “rayo de microondas”, el cual será recibido por un dispositivo convertidor de microondas a voltaje DC denominado rectenna.
Los elementos que conforman un sistema MPT son: Paneles Solares, Transmisor retrodirectivo, medio de transmisión, rectenna.
A lo largo del siglo XX se desarrollaron diversos experimentos prácticos, cada uno de los cuales permitió desarrollar una fase de las necesarias para que esto se acercara a convertirse en realidad. Durante el comienzo del siglo XXI se perfeccionan los métodos y se espera un prototipo operando durante el transcurso de las próximas décadas.
4. Bibliografía
[1] James O. McSpadden, John C. Mankins. “Space Solar Power Programs and Microwave Wireless Power Transmission Technology” IEEE Microwave Magazine Vol. 3 Number 4. December 2002.
[2] William C. Brown,“The History of Power Transmission by Radio Waves”, Pp 1230-1243. IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech., Vol 32. September 1984.
[3] William C. Brown,“The combination receiving antenna and rectifier”, in Microwave Power Engineering, Vol.2, E.C. Okress, Ed. New York:academic, 1968, pp. 273-275
[4] R.M. Dickinson and W.C. Brown, “Radiated microwave power transmission system efficiency measurements”, Jet Propuelsion Lab. Cal. Instit. Technol., Pasadena, CA, Tech. Memo 33-727, Mar. 15, 1975
[5] James O. McSpadden, John C. Mankins. “Space Solar Power Programs and Microwave Wireless Power Transmission Technology”, IEEE Microwave Magazine, Vol. 3 Number 4. December 2002.
[6] P. Koert and J.T. Cha. “35 GHz rectenna development”, in Proc. 1st Annu. Wireless Power Transmission Conf., San Antonio, TX, 1993, pp. 457-466.
[7] V.A. Vanke and V.L. Savin, “Cyclotron wave converter for SPS energy transmission system”, in Proc. 2nd Inter. Symp. SPS 91 Power from Space, Paris, France, 1991, pp 515-520.
[8] “Space Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security, Phase 0 Architecture Feasibility Study”, Report to the Director, National Security Space Office Interim Assessment, Release 0.1, Octuber 2007.
Por Javier Hueichapan H.
Fuente: www.chilerenovables.cl
Loading ...
Rattlehead comentó el 8 de Mayo, 2010 a las 3:18 pmInteresante alternativa, claramente aquí hay un largo plazo que dudo que Piñera lo considere.
Carlos comentó el 28 de Mayo, 2010 a las 2:01 pm¿Mas radiación sobre nuestras cabezas? La respuesta está en la energia de punto cero!
Y eso de “seguridad nacional total para las naciones que posean capacidad de desarrollarla” me suena a un super rayo carbonizador, como el de la película “Alerta máxima 2″ xD
ICeWeR comentó el 6 de Septiembre, 2010 a las 6:24 amEs el gran problema que tiene este sistema: No se puede concentrar un haz de microondas, las ondas se propagan en arco, con lo cual para recogerlas el tamaño de la rectenna tendría que ser realmente ENORME, y cuanto más lejos este el transmisor, más se abrirá el arco y más grande tendrá que ser el receptor.
Hay que tener en cuenta que desde una órbita geoestacionaria, el arco se abrirá bastante, y no se si el tamaño de la rectenna del esquema es suficiente, supongo que desde la órbita más cercana será más facil.
No hace mucho se han realizado pruebas similares en un desierto tratando de recoger las ondas a varios kilómetros (varias decenas creo recordar) y los resultados no fueron tan buenos como los esperados, pero también supongo que si en la atomósfera la atenuación es menor dará mejores resultados (en el ejemplo que menciono era todo a nivel del mar).
Me gustaría verlo funcionando, esperemos que el prototipo del 2030 sea un éxito.
Saludos!
David comentó el 6 de Septiembre, 2010 a las 12:38 pm@ ICeWeR
Puedes concentrar el haz con un Máser, igual que un Láser. Sería introducir aún mas perdidas por el camino, porque los laseres (o maseres) tampoco aprovechan toda la energía que les llega, entonces habría que tener en cuenta de si merece la pena esa perdida, o que el haz llege más expandido, suponiendo que fuera posible realizar un Maser de esas características. Pero no se, eso sí que me suena a James Bond, con un rayo aniquilador desde el espacio.
Ivan comentó el 6 de Septiembre, 2010 a las 1:57 pmEn realidad, la única panacea posible en el mundo de la producción eléctrica pasa por la fusión, aunque todavía quede mucho para convertirla en una opción viable. Una pequeña pregunta: cómo estudiante de ingeniería industrial, siempre nos han enseñado que la mejor forma de transportar energía eléctrica es en corriente alterna, ya que permite el uso de transformadores para elevar la tensión, reduciendo la intensidad (ya que esta es la responsable de las pérdidas, P=R*I^2). Por tanto, ¿Por qué la afirmación de que se hace en corriente continua (DC)?
jesus comentó el 7 de Septiembre, 2010 a las 12:53 amUnas pocas reflexiones. La idea está bien, sobre todo si se incluye, como “valor añadido” de una instalación de este tipo la posibilidad de apuntar el rayo de microondas a la parte del globo que queramos, para poder “cocer en su jugo” a cualquier aldea de recalcitrantes. Si esto no funciona, también es una buena idea el tener encima de nuestras cabezas todas esas megatoneladas (subidas a órbita ¿a qué costo?).
Hay que tener en cuenta que tanto la construcción como el mantenimiento de cualquier estructura en el espacio supera en varios órdenes de magnitud la inversión de hacerlo en la superficie del planeta. Mirad el costo de las estaciones espaciales, o del telescopio espacial… ¡y están en órbitas bajas!. Una construcción en órbita geoestacionaria no se puede mantener.
Hay una forma mas fácil: sencillamente recoger la radiación solar que llega a la superficie de la tierra. Sí, es cierto, hay atenuación atmosférica, sólo se produce por el día, etc… bueno, vale, pero si la radiación que recibimos del sol es 25.000 veces la energía que consumimos, aunque se pierda un poco, pues como que tampoco pasa nada.
Tenemos en la Tierra un montón de desiertos, con una radiación solar máxima pareja a la que se recibe desde el espacio. ¿qué es mas eficiente y barato, poner 1m2 de panel solar supereficiente en el espacio, o aprovechar la energía solar que se desperdicia cayendo sobre 4 m2 de desierto?
En cuanto a la energía de fusión. Sí, podría ser una alternativa… dentro de 50 años (como lo ha estado siendo en los últimos 50, la energía de fusión siempre está 50 años en el futuro). Pero el problema lo tenemos AHORA, y hay que solucionarlo con la tecnología que tenemos AHORA.
Lo que comentaba Ivan sobre la transmisión de energía alterna, es cierto, en instalaciones normales, pero no se está hablando aquí de eso: la recepción de microondas obtiene energía eléctrica contínua, es igual que los paneles solares que puedes ponerte en el tejado. Luego, el transporte de esta energía se hará tras convertirla de la forma mas eficiente para ello, hoy en día es fácil, tenemos elementos en la electrónica de potencia para hacer lo que queramos. De hecho, la ventana de la eficiencia de la transmisión en alterna se reduce en largas distancias y tensiones (por los fenómenos de radiación) , con lo que en transmisiones de miles de km es mas eficiente transformarla en contínua de alta tensión para luego pasarla a alterna para la distribución en los centros de transformación regionales o locales. Al menos era así cuando estudiaba ingeniería industrial hace como 30 años, cuando, por cierto, ya se hablaba de estas estaciones espaciales como “algo inminente” ¡Ah, aquellos años del optimismo tecnológico, cuando la luna estaba al alcance de la mano, los vuelos de pasajeros eran supersónicos, el crecimiento económico no tendría fin…y las bombas nucleares estaban a punto de acabar con toda la vida sobre la superficie terrestre!
David comentó el 7 de Septiembre, 2010 a las 5:39 am@ Ivan
Eso que tu dices es lo que se hace a la hora de transportar la energía como corriente a grandes distancias, sin embargo, lo que en el artículo dice sobre DC, es que esa es la corriente que se genera en los paneles solares (los paneles solares funcionan así, no general alterna). Después, si se quiere transportar, a buen serguro se transformará a alterna.
Pero una cosa que dices creo que no es correcta, aunque es cierto que ahora no lo recuerdo bien: para reducir las perdidas se usa corriente alterna, no por aumentar el voltaje, cosa que también puede hacerse en continua, sino porque la expresión de la potencia disipada, en alterna, lleva un término que es el coseno de la fase entre la intensidad y el voltaje, y si esa fase se hace talque el coseno sea pequeño, las perdidas disminuyen.
[...] El desafío de la transmisión de energía desde el espacio [...]
Ivan comentó el 9 de Septiembre, 2010 a las 1:18 am@ David
Un transformador varia los parámetros tensión-intensidad de una línea eléctrica, conservando “constante” (hay unas pequeñas pérdidas) el producto de ambas: S=V1*I1=V2*I2; Por tanto, es inmediato que si aumentas la tensión, reduces la intensidad, y por ende la energía disipada. Piensa que si se tratase de cambiar la fase entre ambas, no existirían líneas de alta tensión.
Una última nota: Cuanto menor sea el coseno de la fase entre I y V, tenemos menos energía utilizable, y si el módulo de la intensidad no varía, tenemos las mismas pérdidas.
http://en.wikipedia.org/wiki/Alternating_current
http://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica
Alan comentó el 9 de Septiembre, 2010 a las 6:19 amTremendo error, la corriente AC minimiza las perdidas por una inductancia, Z=jwL , S=V.I*
El que escribio no tiene idea, porque ni siquiera fue un error de tipeo,
Ivan comentó el 9 de Septiembre, 2010 a las 3:29 pm¿Cómo es posible que se minimicen las pérdidas por una inductancia? La inductancia que tu muestras es parte de la ecuación , es cierto, pero la potencia que disipa es nula, ya que al ser puramente inductiva no disipa potencia activa. Los asteriscos los puse para expresar la multiplicación, aplicando sólo módulos para simplificar. Si estás seguro de que es por “una inductancia”, te animo a que lo expliques más en detalle.
Rafa comentó el 10 de Septiembre, 2010 a las 4:16 amIván, estoy en completo acuerdo con lo que dices, que ademas, es lo que dice el libro de electricidad de la carrera. No entiendo como hay algunos que con pocos conocimientos (por lo que se vé) ponen en cuestión cosas ciertas, liandose con unas formulas que quizá no hayan entendido del todo.
Alan comentó el 10 de Septiembre, 2010 a las 3:14 pm1- si potencia = potencia activa, partimos mal
potencia = potencia activa+ potencia reactiva
2- la potencia compleja no es “gratis” , de hecho existen mercados en algunos países que lucran con ella, o simplemente te multan por mal factor de potencia.
en AC un simple calculo nos lleva a los siguiente: S=[V^2/wL]todo en modulo, las unidades de S en [VA] esta es una buena medida de eficiencia en perdidas, los generadores trabajan para entregar esta potencia “imaginaria” . como minimizamos S? (la frecuencia depende casi directamente de las turbinas, no abusen),
Carlos comentó el 10 de Septiembre, 2010 a las 3:17 pmojo en DC la inductancia es una GRAN resistencia
Alan comentó el 10 de Septiembre, 2010 a las 3:24 pmivan: “pero la potencia que disipa es nula, ya que al ser puramente inductiva no disipa potencia activa”
1- potencia =potencia activa + potencia reactiva
2- si disipa, la potencia reactiva no es “imaginaria”
no te creas tanto el i!! , mejor usa j jajaj
3- los generadores TRABAJAN por abastecer la potencia reactiva,
de hecho se usa VA como unidad de capacidad nominal,
4- existen mercados de potencia reactiva, no en chile, aca solo te multan por mal fp, fp? investiga.
5- cual es la potencia disipada por la inductancia? no.nono.. no midas en [W] mide en [VA].
6. propuesto: que limita la frecuencia angular w?
saludos,
Alan comentó el 10 de Septiembre, 2010 a las 3:27 pm6. ya no aplica….
Lic Artemio Molina comentó el 11 de Septiembre, 2010 a las 11:48 amSaludos. Al inicio del tema tienen un error: la transmision de voltaje se realiza en la alta tension es en “Voltaje Alterno”, no es continuo, ello obedece a que la corriente continua no puede ser transformable, es decir no produce inductancias de primario a secundario. La corriente continua todavìa no puede ser tranportada en alta potencia por este problema, se requeriria de convertidores muy poderosos aun no fabricados, ademàs no exist la generacion trifàsico-continuo. Ampliando la explicaciòn, generar c.c en AT rqueriria de equipos muy ggantescos, es por ello que por ejemplo en un automovil se usan es alternadores, por su tamaño y a que es mas facil rectificar la corr.alt., para la baterìa, que utilizar convertidores, en este caso se cambia porque no se puede almacenar C.a en acumuladores y no se puede utilizar C.a directamente en equipos electronicos porque la corriente alterne es muy mala conductora de señales de radio y digitales. Lo ideal para el mundo fuese que ningun sistema utilizara C.alterna, pero repito la corriente continua no se puede transformar ni se puede producir en el orden de los kilo-mega V.A, necesarios para las grande ciudadesc. Gracias por leer.
Vicente comentó el 17 de Septiembre, 2010 a las 1:44 pmYo vi un documental en Discovery Channel de unos investigadores independientes que ya lo habian conseguido a nivel experimental.