宇宙船のソーラーパネル

内部の太陽系内で作動する宇宙船は、通常、太陽光から電気を得るために太陽光ソーラーパネルの使用に頼っている。太陽光が弱すぎて十分な電力を得ることができない外側の太陽系では、放射性同位元素の熱電発電器(RTG)が電源として使用される。

歴史
ソーラーパネルを使用する最初の宇宙船は、1958年に米国によって開始されたVanguard 1衛星であった。これは主に、宇宙船太陽エネルギーの父親とみなされるハンス・ツーグラー博士の影響によるものであった。

用途
宇宙船のソーラーパネルは、主に2つの用途に電力を供給します。

センサーを作動させるための電力、能動的な加熱、冷却および遠隔測定が含まれる。
宇宙船推進のための電力 – 電気推進、時には太陽電気推進と呼ばれる。

どちらの用途においても、ソーラーパネルの重要な性能指数は、特定の電力(ソーラーアレイ質量で割った生成されたワット数)です。もう1つの重要なメトリックは、梱包効率(格納されたワット数を収納量で割った値)です。これは、アレイがどの程度容易にロケットに収まるかを示します。さらに別の重要な指標は、コスト(ワットあたりのドル)です。

特定の電力を増加させるために、宇宙船上の典型的なソーラーパネルは、密集しているにも関わらず、ソーラーパネルの太陽の可視領域の100%近くを覆う密集したソーラーセルの長方形を使用します。地球上の典型的なソーラーパネルの太陽に見える領域の90%。しかし、宇宙船の一部の太陽電池パネルには、太陽の可視領域のわずか30%をカバーする太陽電池があります。

実装
ソーラーパネルは、宇宙船が動くにつれて太陽の方を指すことができる多くの表面積を有する必要がある。表面積がより広いと、太陽からの光エネルギーからより多くの電気を変換することができます。宇宙船は小さくなければならないので、これは生産可能な電力の量を制限する。

すべての電気回路は廃熱を発生させます。さらに、ソーラーアレイは、光学的、熱的、および電気的コレクターとして機能する。熱は表面から放射されなければならない。高出力宇宙船は、熱負荷のために能動ペイロード自体と競合するソーラーアレイを有することができる。配列の最も内側のパネルは、ビューと空間との重複を減らすために「空白」にすることができます。このような宇宙船は、高出力ではないが太陽に近い高出力通信衛星(例えば、後の世代のTDRS)およびVenus Expressを含む。

宇宙船は、宇宙船が動くにつれてソーラーパネルを旋回できるように作られています。したがって、宇宙船がどのように指し示されていても、常に光線の直接経路にとどまることができます。宇宙船は通常、太陽が向いている場所とは無関係に、宇宙船の残りの部分が動いても、常に太陽を指すことができるソーラーパネルで設計されています。アレイを太陽の方に向けるために、追跡機構が太陽電池アレイに組み込まれることが多い。

場合によっては、衛星通信事業者が意図的に太陽電池パネルを「オフ・ポイント」に向けたり、太陽から直接整列させたりすることはありません。これは、バッテリが完全に充電され、必要な電力が発電量よりも少ない場合に発生します。国際宇宙ステーションでは軌道抵抗低減のためにオフ・ポインティングが使用されることもあります。

電離放射線の問題と緩和
スペースには、フレアや他の太陽イベントを含む様々なレベルの電離放射線が含まれています。いくつかの衛星は、磁気圏の保護ゾーン内を周回しますが、他の衛星は周回しません。

典型的に使用される太陽電池の種類
ガリウム砒素ベースの太陽電池は、一般に、それらがより高い効率を有し、空間に存在する放射線中のシリコンよりもゆっくりと劣化するので、産業界の結晶シリコンよりも好ましい。現在生産されている最も効率的な太陽電池は、多接合光電池である。これらは、ガリウムヒ素、リン化インジウムガリウム、およびゲルマニウムのいくつかの層の組み合わせを使用して、太陽スペクトルからより多くのエネルギーを取り込む。リーディングエッジマルチジャンクションセルは、非集中AM1.5G照明では38.8%、集中AM1.5G照明では46%を超えることができます。

太陽光発電を使用した宇宙船
今日まで、推進以外の太陽光発電は、木星の軌道よりも太陽から離れた宇宙船には実用的であった。例えば、Juno、Magellan、Mars Global Surveyor、およびMars Observerは、地球軌道上のハッブル宇宙望遠鏡と同様に太陽光を利用していました。 2004年3月2日に打ち上げられたRosetta宇宙探査機は、64平方メートル(690平方フィート)の太陽電池パネルを木星の軌道(5.25AU)まで使用した。以前は2スターのスターダスト宇宙船が使用されていました。推進のための太陽光発電はホール効果スラスタを備えたヨーロッパの月探査SMART-1でも使用されました。

2011年に開始されたJunoの使命は、以前の太陽系外の任務で使用されていた従来のRTGの代わりに太陽電池パネルを使用するJupiter(Jupiterに2016年7月4日に到着)の最初の使命であり、これまでの太陽電池パネル。それは72平方メートル(780平方フィート)のパネルを有する。

関心のある別の宇宙船はDawnで、2011年に4 Vestaを周回した。それは、Ceresに到達するためにイオンスラスタを使用した。

ジュピターを超えた太陽光発電宇宙船の可能性が研究されました。

国際宇宙ステーションはまた、ソーラーアレイを使用して駅のすべてに電力を供給しています。 262,400の太陽電池は約27,000平方フィート(2,500m2)の空間をカバーしています。ステーションに電力を供給する4つのソーラーアレイがあり、2009年3月に4番目のアレイがインストールされています。これらのソーラーアレイから84〜120キロワットの電力を発生させることができます。

将来の使用
将来の任務のためには、ソーラーアレイの質量を減らし、単位面積当たりに生成される電力を増加させることが望ましい。これにより全体的な宇宙船の質量が減少し、太陽から離れた距離で太陽光宇宙船の運転が可能になる可能性があります。ソーラーアレイ質量は、薄膜太陽電池、フレキシブルブランケット基板、および複合支持構造によって低減することができました。入射太陽光を強化する新しい光電池材料および太陽集光装置を使用することによって、太陽電池アレイの効率を改善することができます。第1宇宙船のパワー用の太陽光集光器ソーラーアレイは、太陽光線上の太陽光を強める装置である。このデザインでは、フレネルレンズと呼ばれるフラットレンズを使用しています。フレネルレンズは、広い範囲の太陽光を取り、小さなスポットに集光します。同じ原理が、晴れた日に虫眼鏡で火を始めるために使用されます。

ソーラーコンセントレータは、これらのレンズのいずれかを各太陽電池の上に置きます。これは、大きな集光器領域から小さなセル領域に光を集める。これにより、高価な太陽電池の量を濃度の分だけ減少させることができる。コンセントレータは、単一の光源がある場合に最も効果的です。コンセントレータは、その光源を右に向けることができます。これは、太陽が単一の光源である宇宙で理想的です。太陽電池は太陽電池アレイの中で最も高価な部品であり、アレイはしばしば宇宙船の非常に高価な部品です。この技術により、より少ない材料の使用のためにコストが大幅に削減される可能性がある。