Солнечные панели на космических аппаратах

Космический аппарат, работающий во внутренней солнечной системе, обычно полагается на использование фотогальванических солнечных панелей для получения электричества от солнечного света. Во внешней солнечной системе, где солнечный свет слишком слаб, чтобы создавать достаточную мощность, в качестве источника энергии используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ).

история
Первым космическим аппаратом для использования солнечных панелей был спутник Vanguard 1, запущенный США в 1958 году. Это было во многом благодаря влиянию д-ра Ханса Циглера, которого можно отнести к отцу солнечной энергии космического корабля.

Пользы
Панели солнечных батарей для питания космических аппаратов для двух основных целей:

мощность для запуска датчиков, активного нагрева, охлаждения и телеметрии.
мощность для космических аппаратов – электрический двигатель, иногда называемый солнечно-электрическим двигателем.

Для обоих применений ключевым показателем достоинства солнечных панелей является удельная мощность (генерируемые ватты, деленная на массу солнечной батареи), которая указывает на относительной основе, сколько энергии будет иметь один массив для данной массы запуска относительно другой. Другим ключевым показателем является эффективность упакованной упаковки (развернутые ватты, произведенные в разбивке по уложенному объему), что указывает на то, насколько легко массив войдет в ракеты-носителя. Еще одна ключевая метрика – стоимость (доллары на ватт).

Чтобы увеличить удельную мощность, типичные солнечные панели на космических аппаратах используют плотноупакованные прямоугольники солнечных элементов, которые покрывают почти 100% видимой солнцем площади солнечных панелей, а не кругов солнечной пластины, которые, хотя и плотно упакованы, покрывают 90% видимой на солнце области типичных солнечных панелей на земле. Однако на некоторых солнечных батареях на космических аппаратах есть солнечные элементы, которые покрывают только 30% видимой на солнце области.

Реализация
Панели солнечных батарей должны обладать большой площадью поверхности, которая может быть направлена ​​на Солнце при движении корабля. Более открытая площадь поверхности означает, что электричество может быть преобразовано из световой энергии Солнца. Поскольку космический аппарат должен быть небольшим, это ограничивает количество мощности, которое может быть произведено.

Все электрические цепи генерируют отработанное тепло; кроме того, солнечные батареи действуют как оптические и тепловые, а также электрические коллекторы. Тепло должно излучаться с их поверхностей. Высокомощные космические аппараты могут иметь солнечные батареи, которые конкурируют с активной полезной нагрузкой для тепловой диссипации. Самая внутренняя панель массивов может быть «пустой», чтобы уменьшить перекрытие представлений в пространстве. К таким космическим аппаратам относятся спутники связи большей мощности (например, TDRS более позднего поколения) и Venus Express, а не высокомощные, но ближе к Солнцу.

Космический аппарат построен таким образом, что солнечные панели могут поворачиваться по мере перемещения космического аппарата. Таким образом, они всегда могут оставаться на прямом пути световых лучей независимо от того, как указывается космический корабль. Космический аппарат обычно разработан с солнечными батареями, которые всегда можно указывать на Солнце, даже когда остальная часть тела космического корабля перемещается, так как танковая башня может быть направлена ​​независимо от того, куда идет танк. Механизм слежения часто включается в солнечные решетки, чтобы держать массив направленным к солнцу.

Иногда спутниковые операторы целенаправленно ориентируют солнечные панели на «выключенную точку» или прямое выравнивание от Солнца. Это происходит, если батареи полностью заряжены и количество потребляемой электроэнергии ниже, чем количество произведенного электричества; на Международной космической станции также иногда используется вытеснение с целью уменьшения орбитального сопротивления.

Проблемы ионизирующего излучения и смягчение их последствий
Пространство содержит различные уровни ионизирующего излучения, включающие вспышки и другие солнечные события. Некоторые спутники вращаются вокруг защитной зоны магнитосферы, а другие – нет.

Типы солнечных элементов, которые обычно используются
Солнечные элементы на основе арсенида галлия обычно предпочитают кристаллический кремний в промышленности, потому что они имеют более высокую эффективность и деградируют медленнее, чем кремний, в радиации, присутствующей в космосе. Наиболее эффективными солнечными элементами, которые в настоящее время производятся, являются многолучевые фотогальванические элементы. Они используют комбинацию нескольких слоев арсенида галлия, фосфида индия галлия и германия для сбора большей энергии солнечного спектра. Ячейки с несколькими перекрестными переходами могут превышать 38,8% при неконцентрированном освещении AM1,5G и 46% при использовании концентрированного освещения AM1.5G.

Космические аппараты, которые использовали солнечную энергию
На сегодняшний день солнечная энергия, отличная от движущей силы, практична для космических аппаратов, работающих не дальше от Солнца, чем от орбиты Юпитера. Например, Juno, Magellan, Mars Global Surveyor и Mars Observer использовали солнечную энергию, как и орбитальный орбитальный космический телескоп Хаббл. Космический зонд Rosetta, запущенный 2 марта 2004 года, использовал свои 64 квадратных метра (690 кв. Футов) солнечных панелей по орбите Юпитера (5,25 AU); ранее самым дальним использованием был космический аппарат Stardust на 2 AU. Солнечная энергия для движения была также использована на европейской лунной миссии SMART-1 с двигателем Холла.

Миссия Juno, запущенная в 2011 году, является первой миссией Юпитера (прибывшей в Юпитер 4 июля 2016 года) для использования солнечных батарей вместо традиционных РИТЭГов, которые используются в предыдущих миссиях солнечной системы, что делает его самым дальним космическим аппаратом для использования солнечных панелей на сегодняшний день. Он имеет площадь 72 квадратных метров (780 кв. Футов).

Еще один космический корабль, представляющий интерес, – «Рассвет», который вывел на орбиту около 4-х Веста в 2011 году. Он использовал ионные двигатели, чтобы добраться до Цереры.

Изучена возможность использования космических аппаратов на солнечной энергии за пределами Юпитера.

Международная космическая станция также использует солнечные батареи для питания всего на станции. 262 400 солнечных батарей занимают площадь около 27 000 квадратных футов (2500 кв. М). В марте 2009 года были установлены четыре комплекта солнечных батарей, которые питали станцию ​​и четвертый набор массивов. Из этих солнечных батарей можно создавать от 84 до 120 киловатт электроэнергии.

Использование в будущем
Для будущих миссий желательно уменьшить массу солнечной батареи и увеличить мощность, вырабатываемую на единицу площади. Это уменьшит общую массу космического корабля и может сделать работу космического аппарата на солнечной энергии возможным на больших расстояниях от Солнца. Масса солнечной батареи может быть уменьшена с помощью тонкопленочных фотогальванических элементов, гибких покрывных субстратов и композитных опорных структур. Эффективность солнечной батареи может быть улучшена за счет использования новых фотоэлектрических материалов и солнечных концентраторов, которые усиливают падающий солнечный свет. Солнечные батареи фотоэлектрических концентраторов для первичной мощности космических аппаратов – устройства, которые усиливают солнечный свет на фотогальванике. В этой конструкции используется плоская линза, называемая линзой Френеля, которая занимает большую площадь солнечного света и концентрирует ее на меньшем месте. Этот же принцип используется для запуска пожаров с увеличительным стеклом в солнечный день.

Солнечные концентраторы помещают одну из этих линз в каждый солнечный элемент. Это фокусирует свет от большой площади концентратора до меньшей площади ячеек. Это позволяет уменьшить количество дорогостоящих солнечных элементов на величину концентрации. Концентраторы работают лучше всего, когда есть единственный источник света, и концентратор может быть направлен прямо на него. Это идеальное место в пространстве, где Солнце является единственным источником света. Солнечные элементы являются самой дорогой частью солнечных батарей, а массивы часто являются очень дорогостоящей частью космического корабля. Эта технология может позволить значительно сократить затраты из-за использования меньшего количества материала.