航天器太阳能电池板

在太阳系内部运行的航天器通常依赖于使用光伏太阳能电池板从太阳光中获取电力。在外太阳系中,太阳光太弱而不能产生足够的功率,放射性同位素热电发电机(RTG)被用作电源。

历史
第一个使用太阳能电池板的航天器是由美国于1958年发射的Vanguard 1号卫星。这主要是因为Hans Ziegler博士的影响,他可以被视为太空船太阳能之父。

用途
航天器上的太阳能电池板为两种主要用途供电:

能够运行传感器,主动加热,冷却和遥测。
用于航天器推进的动力 – 电力推进,有时称为太阳能电力推进。

对于这两种用途,太阳能电池板的关键品质因数是比功率(产生的瓦数除以太阳能电池阵列质量),其相对地指示一个阵列将相对于另一个发射质量产生多少功率。另一个关键指标是装载包装效率(所产生的部署瓦数除以存放体积),这表明阵列将很容易装入运载火箭。另一个关键指标是成本(每瓦特美元)。

为了增加比功率,航天器上的典型太阳能电池板使用紧密包装的太阳能电池矩形,覆盖太阳能电池板几乎100%的太阳可见区域,而不是太阳能电池圈,尽管密集包装,地球上典型太阳能电池板90%的太阳可见区域。然而,航天器上的一些太阳能电池板上的太阳能电池仅覆盖了太阳可见区域的30%。

履行
当太空船移动时,太阳能电池板需要具有许多可以指向太阳的表面积。更多的暴露表面积意味着更多的电能可以从太阳的光能转换而来。由于航天器必须很小,这限制了可以产生的功率。

所有电路都产生废热;此外,太阳能电池阵列还可用作光学和热学以及电子收集器。必须从其表面辐射热量。高功率航天器可能具有太阳能阵列,其与有源负载本身竞争以进行散热。最里面的数组可以是“空白的”以减少视图与空间的重叠。这种航天器包括更高功率的通信卫星(例如,后代TDRS)和Venus Express,不是高功率但更接近太阳。

制造航天器使得太阳能电池板可以在航天器移动时枢转。因此,无论航天器如何指向,它们都可以始终保持在光线的直接路径上。航天器通常设计有太阳能电池板,即使航天器的其他部分四处移动,太阳能电池板也可以始终指向太阳,就像坦克炮塔可以独立于坦克前进的位置瞄准。通常将跟踪机构结合到太阳能阵列中以使阵列指向太阳。

有时,卫星运营商有目的地将太阳能电池板定位为“偏离点”,或者不与太阳直接对齐。如果电池完全充电并且所需的电量低于发电量,则会发生这种情况;在国际空间站有时也会使用偏离轨道来减少轨道阻力。

电离辐射问题和缓解
空间包含不同程度的电离辐射,其中包括耀斑和其他太阳活动。一些卫星在磁层的保护区内运行,而其他卫星没有运行。

通常使用的太阳能电池的类型
基于砷化镓的太阳能电池通常优于工业中的晶体硅,因为它们具有更高的效率并且比空间中存在的辐射中的硅更慢地降解。目前生产的最有效的太阳能电池是多结光伏电池。它们使用几层砷化镓,磷化铟镓和锗的组合来从太阳光谱中捕获更多能量。在非浓缩AM1.5G照明下,前沿多结电池能够超过38.8%,使用浓缩AM1.5G照明时,前沿多结电池能够超过46%。

使用太阳能的航天器
迄今为止,除了推进之外,太阳能对于太阳运行而言并不比太阳更远离太阳运行。例如,Juno,Magellan,Mars Global Surveyor和Mars Observer使用太阳能,就像地球轨道卫星哈勃太空望远镜一样。 2004年3月2日发射的罗塞塔太空探测器使用了64平方米(690平方英尺)的太阳能电池板,直至木星轨道(5.25 AU);以前最远的用途是2 AU的Stardust太空船。用于推进的太阳能也用于具有霍尔效应推进器的欧洲月球任务SMART-1。

Juno任务于2011年启动,是第一次执行木星(2016年7月4日抵达木星),使用太阳能电池板代替以前外太阳系任务所使用的传统RTG,使其成为使用最远的太空船太阳能电池板迄今为止它有72平方米(780平方英尺)的面板。

另一个感兴趣的航天器是Dawn,它于2011年进入4 Vesta的轨道。它使用离子推进器到达Ceres。

已经研究了超越木星的太阳能航天器的潜力。

国际空间站还使用太阳能电池阵为车站上的所有设备供电。 262,400个太阳能电池占地约27,000平方英尺(2,500平方米)。有四套太阳能电池阵列为电站供电,第四组阵列于2009年3月安装。这些太阳能电池阵列可产生84至120千瓦的电力。

未来的用途
对于未来的任务,希望减少太阳能电池阵列质量,并增加每单位面积产生的电力。这将减少整个航天器的质量,并且可以使太阳能航天器的操作在距太阳更远的距离处可行。利用薄膜光伏电池,柔性覆盖基板和复合支撑结构可以减少太阳能电池阵列的质量。通过使用增强入射太阳光的新型光伏电池材料和太阳能聚光器,可以提高太阳能电池阵列的效率。用于主要航天器功率的光伏聚光器太阳能电池阵列是增强光伏电池上的阳光的装置。这种设计采用了一种称为菲涅耳透镜的平面透镜,它可以拍摄大面积的太阳光并将其集中到较小的位置。在阳光明媚的日子,用相同的原理用放大镜开始射击。

太阳能聚光器将这些透镜中的一个放在每个太阳能电池上。这将来自大聚光器区域的光聚焦到较小的细胞区域。这允许昂贵的太阳能电池的数量减少浓度。当有单一光源并且集中器可以指向它时,集中器效果最佳。这在太阳是单一光源的太空中是理想的。太阳能电池是太阳能电池阵列中最昂贵的部分,而阵列通常是航天器中非常昂贵的部分。由于使用较少的材料,该技术可以显着降低成本。