우주선에 태양 전지 패널

내부 태양계에서 작동하는 우주선은 일반적으로 햇빛으로부터 전기를 끌어 내기 위해 태양 광 태양 전지판을 사용합니다. 햇빛이 너무 약해서 충분한 전력을 생산하지 못하는 외부 태양계에서는 방사성 동위 원소 열전 발전기 (RTG)가 동력원으로 사용됩니다.

역사
태양 전지판을 사용하는 최초의 우주선은 1958 년 미국이 발사 한 뱅가드 1 위성이었습니다. 이것은 주로 우주선 태양력의 아버지로 간주 될 수있는 한스 지글러 (Hans Ziegler) 박사의 영향 때문이었습니다.

용도
우주선의 태양 전지 패널은 두 가지 주요 용도로 전력을 공급합니다.

센서를 작동시키는 전력, 활성 가열, 냉각 및 원격 측정.
우주선의 추진력 – 전기 추진, 때로는 태양 전기 추진이라고합니다.

두 가지 용도 모두 태양 전지판의 주요 성능 지수는 태양 전지판 질량으로 나눈 생성 된 특정 전력 (Watt)을 상대적인 기준으로 주어진 발사 질량에 대해 한 배열이 다른 태양 전지판에 비해 얼마나 많은 전력을 생성 하는지를 나타냅니다. 또 다른 핵심 척도는 적재 된 포장 효율 (적재 된 부피로 나눈 생산 된 와트)입니다. 이는 어레이가 발사체에 얼마나 쉽게 들어갈 수 있는지를 나타냅니다. 또 다른 주요 측정 기준은 비용 (와트 당 달러)입니다.

특정 전력을 증가시키기 위해 우주선의 전형적인 태양 전지 패널은 태양 전지판의 태양 광 영역의 거의 100 %를 차지하는 밀집된 태양 전지 사각형을 사용합니다. 지구상에 전형적인 태양 전지 패널의 태양으로 보이는 영역의 90 %. 그러나 우주선의 일부 태양 전지판은 태양 광이 보이는 부분의 30 % 만 덮는 태양 전지를 가지고 있습니다.

이행
태양 전지판은 우주선이 움직일 때 태양쪽으로 향하게 할 수있는 많은 표면적을 가져야합니다. 더 많은 노출 표면적은 태양으로부터의 빛 에너지로부터 더 많은 전기가 변환 될 수 있음을 의미합니다. 우주선은 작아야하기 때문에 생산할 수있는 전력량이 제한됩니다.

모든 전기 회로는 폐열을 생성합니다. 또한, 태양열 어레이는 광학 및 열뿐만 아니라 전기 수집기 역할을합니다. 표면에서 열이 방출되어야합니다. 고출력 우주선은 열 방출을 위해 활성 페이로드 자체와 경쟁하는 태양 전지 배열을 가질 수 있습니다. 가장 안쪽의 배열 패널은 공간과의 뷰의 중복을 줄이기 위해 “공백”일 수 있습니다. 이러한 우주선은 고출력이 아닌 태양에 가까운 고전력 통신 위성 (예를 들어, 차세대 TDRS) 및 금성 익스프레스를 포함한다.

우주선은 우주선이 움직일 때 태양 전지 패널을 선회 할 수 있도록 제작되었습니다. 따라서 우주선이 어떻게 향하고 있더라도 항상 광선의 직접적인 경로에 머무를 수 있습니다. 우주선은 대개 우주선의 나머지 부분이 움직이는 것처럼 태양을 항상 가리킬 수있는 태양 전지판으로 설계되어 탱크 터렛이 탱크의 위치와는 독립적으로 조준 될 수있는 것처럼 많이 설계됩니다. 배열을 태양쪽으로 향하게 유지하기 위해 추적 메커니즘이 태양 배열에 종종 통합됩니다.

때때로 위성 통신 사업자는 의도적으로 태양 전지 패널을 “오프 포인트 (off point)”로 또는 태양으로부터의 직접 정렬 방향으로 배향시킨다. 이것은 배터리가 완전히 충전되었고 필요한 전기량이 전기의 양보다 적 으면 발생합니다. off-pointing는 때때로 국제 우주 정거장에서 궤도 항력 감속을 위해 사용됩니다.

전리 방사선 문제 및 완화
공간에는 다양한 수준의 이온화 방사선이 포함되어 있으며, 플레어 및 기타 태양 현상이 포함됩니다. 일부 위성은 자기권의 보호 구역 내에서 궤도를 도는 반면 다른 위성은 궤도에 들지 않습니다.

일반적으로 사용되는 태양 전지의 유형
Gallium arsenide 기반의 태양 전지는 일반적으로 공간에 존재하는 방사선에서 실리콘보다 더 높은 효율을 가지며 천천히 분해되기 때문에 일반적으로 결정질 실리콘보다 선호됩니다. 현재 생산중인 가장 효율적인 태양 전지는 다중 접합 태양 전지입니다. 이들은 갈륨 비소, 인듐 갈륨 인화물 및 게르마늄의 여러 층을 결합하여 태양 스펙트럼으로부터 더 많은 에너지를 포착합니다. 최첨단 다중 접합 셀은 집광되지 않은 AM1.5G 조명에서는 38.8 %를, 집중 AM1.5G 조명에서는 46 %를 초과 할 수 있습니다.

태양 광 발전을 사용한 우주선
지금까지 추진력 이외의 태양 광 발전은 목성의 궤도보다 태양으로부터 먼 거리에서 작동하는 우주선에 실용적이었다. 예를 들어, Juno, Magellan, Mars Global Surveyor 및 Mars Observer는 지구 궤도의 허블 우주 망원경처럼 태양 에너지를 사용했습니다. 2004 년 3 월 2 일에 발사 된 로제타 우주 탐사선은 64 평방 미터 (690 평방 피트)의 태양 전지 패널을 목성 (5.25 AU)의 궤도까지 사용했다. 이전에 가장 많이 사용 된 것은 스타 더스트 우주선이었습니다 (2 AU). 추진을위한 태양 광 발전은 홀 효과 스러 스터가 장착 된 유럽 달 탐사 SMART-1에도 사용되었습니다.

2011 년에 시작된 주노 임무는 이전의 태양계 외곽 미션에서 사용 된 전통적 RTG 대신 태양 전지판을 사용하기 위해 목성에 대한 첫 번째 임무 (2016 년 7 월 4 일 목성에 도착)를 사용하여 가장 먼 우주선을 사용하게합니다 현재까지 태양 전지판. 그것은 72 평방 미터 (780 평방 피트)의 패널을 가지고 있습니다.

관심있는 또 다른 우주선은 2011 년 4 Vesta 주변에서 궤도에 진입 한 Dawn입니다. Ceres에 도착하기 위해 이온 추진 장치를 사용했습니다.

목성을 능가하는 태양력 우주선의 잠재력이 연구되었습니다.

국제 우주 정거장은 또한 태양열 어레이를 사용하여 역의 모든 것을 가동합니다. 262,400 개의 태양 전지는 약 27,000 평방 피트 (2,500 평방 미터)의 공간을 차지합니다. 스테이션에 전력을 공급하는 네 개의 태양열 어레이가 있으며 2009 년 3 월에 네 번째 어레이 어레이가 설치되었습니다.이 태양열 어레이에서 84-120kW의 전기를 생성 할 수 있습니다.

미래 사용
미래의 임무를 위해서는 태양 전지판의 질량을 줄이고 단위 면적당 발생되는 전력을 증가시키는 것이 바람직하다. 이것은 전체 우주선의 질량을 줄이고 태양으로부터 멀리 떨어진 거리에서 태양열 우주선의 작동을 가능하게 만들 수 있습니다. 태양 광 어레이 질량은 박막 광전지, 유연한 담요 기판 및 복합지지 구조로 줄일 수 있습니다. 새로운 태양 광 전지 소재와 태양 광선 집광기를 사용하여 태양 광 배열 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 1 차 우주선 전력을위한 태양 광 집광 장치 태양 전지판은 태양 광 발전기의 햇빛을 강화시키는 장치입니다. 이 디자인은 평평한 렌즈를 사용합니다. 프레 넬 렌즈 (Fresnel lens)라고 불리는 평면 렌즈는 햇빛을 많이 받아 작은 부분에 집중시킵니다. 화창한 날에 돋보기로 불을 피우는데도 같은 원칙이 사용됩니다.

태양 집광 기는 모든 태양 전지 위에이 렌즈 중 하나를 집어 넣습니다. 이것은 큰 집중 장치 영역에서 작은 셀 영역으로 빛을 집중시킵니다. 이는 고가의 태양 전지의 양을 농도의 양만큼 감소시킬 수있게한다. 집광기는 단일 광원이 있고 집광기를 바로 가리킬 수있을 때 가장 잘 작동합니다. 이것은 태양이 단일 광원 인 공간에서 이상적입니다. 태양 전지는 태양열 집열판 중에서 가장 비싼 부분이며, 배열은 종종 우주선의 매우 비싼 부분입니다. 이 기술은 적은 재료 사용으로 인해 비용을 크게 줄일 수 있습니다.