الألواح الشمسية على المركبة الفضائية

تعتمد المركبات الفضائية العاملة في النظام الشمسي الداخلي عادة على استخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية لاشتقاق الكهرباء من أشعة الشمس. في النظام الشمسي الخارجي ، حيث يكون ضوء الشمس ضعيفًا جدًا بحيث لا ينتج طاقة كافية ، يتم استخدام المولدات الكهربائية الحرارية المشعة (RTGs) كمصدر للطاقة.

التاريخ
كانت المركبة الفضائية الأولى التي تستخدم الألواح الشمسية هي قمر فانجارد 1 ، الذي أطلقته الولايات المتحدة في عام 1958. ويرجع هذا إلى حد كبير إلى تأثير الدكتور هانز زيجلر ، الذي يمكن اعتباره الأب للطاقة الشمسية لمركبة الفضاء.

الاستخدامات
الألواح الشمسية على طاقة تزويد المركبات الفضائية للاستخدامين الرئيسيين:

الطاقة لتشغيل أجهزة الاستشعار ، والتدفئة النشيطة ، والتبريد والقياس عن بعد.
القوة لدفع المركبات الفضائية – الدفع الكهربائي ، وتسمى أحيانا الدفع بالطاقة الشمسية الكهربائية.

بالنسبة لكلا الاستخدامين ، فإن الشكل الرئيسي لجدارة الألواح الشمسية هو الطاقة المحددة (التي تم توليدها مقسوما على كتلة المجموعة الشمسية) ، مما يشير على أساس نسبي إلى مقدار القوة التي ستولدها مجموعة واحدة لكتلة إطلاق معينة بالنسبة إلى كتلة أخرى. مقياس رئيسي آخر يتم تخزينه في كفاءة التعبئة (يتم إنتاج الواط الناتج مقسومًا على وحدة التخزين) ، مما يشير إلى مدى سهولة احتواء المصفوفة في مركبة الإطلاق. ومع ذلك ، هناك مقياس رئيسي آخر هو التكلفة (بالدولار لكل واط).

ولزيادة القوة المعينة ، تستخدم الألواح الشمسية النموذجية في المركبة الفضائية مستطيلات خلية شمسية مملوءة بالهواء تغطي ما يقرب من 100٪ من المنطقة المرئية لأشعة الشمس في الألواح الشمسية ، بدلاً من دوائر الويفر الشمسية التي 90٪ من مساحة الشمس المرئية للألواح الشمسية النموذجية على الأرض. ومع ذلك ، فإن بعض الألواح الشمسية في المركبات الفضائية لديها خلايا شمسية تغطي 30٪ فقط من المنطقة المرئية من أشعة الشمس.

التنفيذ
تحتاج الألواح الشمسية إلى الكثير من المساحة السطحية التي يمكن توجيهها نحو الشمس بينما تتحرك المركبة الفضائية. وتعني المساحة السطحية المكشوفة أنه يمكن تحويل المزيد من الكهرباء من الطاقة الضوئية من الشمس. وبما أن المركبة الفضائية يجب أن تكون صغيرة ، فهذا يحد من كمية الطاقة التي يمكن إنتاجها.

جميع الدوائر الكهربائية تولد حرارة النفايات. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل المصفوفات الشمسية كمكبرات ضوئية وحرارية وكذلك جامعات كهربائية. يجب أن تشع الحرارة من أسطحها. قد تحتوي المركبات الفضائية عالية الطاقة على صفائف شمسية تتنافس مع الحمولة النشطة نفسها لتبديدها حراريًا. قد تكون اللوحة الأعمق للصفائف “فارغة” لتقليل التداخل في المشاهدات إلى الفضاء. وتشمل هذه المركبات الفضائية سواتل الاتصالات عالية القدرة (مثل الجيل التالي من TDRS) وفينوس اكسبرس ، وليست عالية القدرة ولكن أقرب إلى الشمس.

تم بناء المركبات الفضائية بحيث يمكن تحريك الألواح الشمسية أثناء تحرك المركبة الفضائية. وبالتالي ، يمكنهم البقاء في المسار المباشر لأشعة الضوء بغض النظر عن كيفية توجيه المركبة الفضائية. وعادة ما تصمم المركبة الفضائية بألواح شمسية يمكن دوما أن تصوب إلى الشمس ، حتى بينما يتحرك باقي جسم المركبة الفضائية ، بقدر ما يمكن توجيه برج الدبابة بشكل مستقل عن المكان الذي يذهب إليه الخزان. عادة ما يتم دمج آلية التتبع في الصفائف الشمسية للحفاظ على الصفيف نحو الشمس.

في بعض الأحيان ، يقوم مشغلو السواتل بتوجيه الألواح الشمسية إلى “نقطة التلاشي” ، أو خارج المحاذاة المباشرة للشمس. يحدث هذا إذا كانت البطاريات مشحونة بالكامل وكمية الكهرباء المطلوبة أقل من كمية الكهرباء التي تم صنعها ؛ كما يتم أحيانًا استخدام تشتيت الإشارة في محطة الفضاء الدولية للحد من السحب المداري.

Related Post

قضايا الإشعاع المؤين والتخفيف
يحتوي الفضاء على مستويات متفاوتة من الإشعاعات المؤينة ، والتي تشمل المشاعل وغيرها من الأحداث الشمسية. تدور بعض الأقمار الصناعية في المنطقة الواقية للغلاف المغناطيسي ، في حين لا يدور بعضها الآخر.

أنواع الخلايا الشمسية المستخدمة عادة
عادة ما يتم تفضيل الخلايا الشمسية المبنية على زرنيخيد الغاليوم على السيليكون البلوري في الصناعة لأنها تتمتع بكفاءة أعلى وتتحلل ببطء أكثر من السيليكون في الإشعاع الموجود في الفضاء. الخلايا الشمسية الأكثر كفاءة في الإنتاج حاليًا هي الخلايا الضوئية متعددة الوصلات. وهي تستخدم مزيجًا من عدة طبقات من زرنيخيد الغاليوم ، وفوسفيد الإنديوم ، والجرمانيوم لالتقاط المزيد من الطاقة من الطيف الشمسي. يمكن للخلايا المتطورة متعددة الوصلات تجاوز 38.8٪ تحت إضاءة AM1.5G غير مركزة و 46٪ باستخدام إضاءة مركزة AM1.5G.

المركبة الفضائية التي استخدمت الطاقة الشمسية
حتى الآن ، كانت الطاقة الشمسية ، بخلاف الدفع ، عملية للمركبات الفضائية التي لا تعمل أبعد من الشمس عن مدار كوكب المشتري. على سبيل المثال ، استخدم Juno و Magellan و Mars Global Surveyor و Mars Observer الطاقة الشمسية كما يفعل تلسكوب هابل الفضائي حول الأرض. استخدم المسبار الفضائي “روزيتا” ، الذي تم إطلاقه في 2 مارس 2004 ، ألواحه الشمسية التي تبلغ مساحتها 64 مترًا مربعًا (690 قدمًا مربعة) من مدار كوكب المشتري (5.25 AU) ؛ في السابق كان الاستخدام الأطول هو مركبة الفضاء ستاردست في 2 الاتحاد الافريقي. كما تم استخدام الطاقة الشمسية للدفع في المهمة القمرية الأوروبية SMART-1 مع خاصية تأثير هول.

بعثة جونو ، التي تم إطلاقها في عام 2011 ، هي أول مهمة إلى كوكب المشتري (وصلت إلى المشتري في 4 يوليو 2016) لاستخدام الألواح الشمسية بدلاً من أجهزة RTG التقليدية التي تستخدمها مهام النظام الشمسي الخارجي السابقة ، مما يجعلها أبعد مركبة فضائية تستخدم الألواح الشمسية حتى الآن. لديها 72 مترا مربعا (780 قدم مربع) من الألواح.

آخر مركبة فضائية مهمة هي الفجر الذي دخل في مدار حول 4 Vesta في عام 2011. واستخدمت الدفاعات الأيونية للوصول إلى Ceres.

وقد تمت دراسة إمكانية المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية خارج كوكب المشتري.

كما تستخدم محطة الفضاء الدولية المصفوفات الشمسية لتشغيل كل شيء في المحطة. تغطي الخلايا الشمسية التي تبلغ مساحتها 262،400 مساحة حوالي 27،000 قدم مربع (2500 م 2) من المساحة. هناك أربع مجموعات من المصفوفات الشمسية التي تعمل على تشغيل المحطة ، وتم تركيب المجموعة الرابعة من المصفوفات في مارس 2009. ويمكن توليد 84 إلى 120 كيلووات من الكهرباء من هذه المصفوفات الشمسية.

الاستخدامات المستقبلية
بالنسبة للبعثات المستقبلية ، من المستحسن تقليل كتلة المجموعة الشمسية ، وزيادة الطاقة المولدة لكل وحدة مساحة. وهذا من شأنه أن يقلل من كتلة المركبات الفضائية الكلية ، ويجعل تشغيل المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية ممكنًا على مسافات أكبر من الشمس. يمكن تقليل كتلة المصفوفة الشمسية مع الخلايا الكهروضوئية ذات الطبقة الرقيقة ، والركائز الطرية المرنة ، وهياكل الدعم المركبة. يمكن تحسين كفاءة مجموعة الطاقة الشمسية باستخدام مواد الخلايا الضوئية الجديدة والتركيز الشمسي التي تكثف أشعة الشمس. إن المصفوفات الشمسية المركزة على الخلايا الضوئية للطاقة المركبة الفضائية الأساسية هي الأجهزة التي تكثف أشعة الشمس على الخلايا الكهروضوئية. يستخدم هذا التصميم عدسة مسطحة تسمى عدسة فريسنل ، والتي تأخذ مساحة كبيرة من ضوء الشمس وتركز على بقعة أصغر. يتم استخدام نفس المبدأ لبدء الحرائق مع العدسة المكبرة في يوم مشمس.

يضع التركيز الشمسي واحدة من هذه العدسات على كل خلية شمسية. هذا يركز الضوء من منطقة المكثف الكبيرة وصولاً إلى منطقة الخلية الأصغر. وهذا يسمح بتخفيض كمية الخلايا الشمسية الباهظة بمقدار التركيز. يعمل المكثف بشكل أفضل عندما يكون هناك مصدر واحد للضوء ويمكن توجيه المكثف إليه مباشرة. هذا مثالي في الفضاء ، حيث الشمس هي مصدر ضوء واحد. والخلايا الشمسية هي أغلى جزء من المصفوفات الشمسية ، وغالبا ما تكون المصفوفات جزءًا مكلفًا للغاية من المركبة الفضائية. قد تسمح هذه التكنولوجيا بتخفيض التكاليف بشكل كبير بسبب استخدام مواد أقل.

Share