Солнечные панели на космическом корабле

Космические корабли, работающие во внутренней части Солнечной системы, обычно полагаются на использование силовой электроникой, , управляемых фотоэлектрических солнечных панелей для получения электроэнергии из солнечного света . За пределами орбиты Юпитера солнечная радиация слишком слаба, чтобы производить достаточную мощность в рамках современных солнечных технологий и ограничений по массе космических кораблей, поэтому радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ). вместо этого в качестве источника энергии используются ^[1]^{[ устаревший источник ]}

История

Первые практические солнечные элементы на основе кремния были представлены Расселом Шумейкером Олом, исследователем Bell Labs, в 1940 году. Их эффективность составляла всего 1%. 25 апреля 1954 года в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Они продемонстрировали свою солнечную панель, используя ее для питания небольшого игрушечного колеса обозрения и радиопередатчика на солнечной энергии.

Первоначально их эффективность составляла около 6%, но улучшения начали почти сразу же увеличивать этот показатель. Белл заинтересовался этой идеей как системы для обеспечения электропитанием удаленных телефонных ретрансляторов, но стоимость устройств была слишком высока, чтобы их можно было использовать на практике в этой роли. Если не считать небольших экспериментальных наборов и вариантов использования, клетки по большей части оставались неиспользованными. ^[2]

Ситуация изменилась с разработкой первого американского космического корабля, спутника «Вэнгард-1» , в 1958 году. Расчеты доктора Ханса Циглера показали, что система, использующая солнечные элементы, перезаряжающие аккумуляторную батарею, обеспечит необходимую мощность в гораздо более легком корпусе, чем использование просто аккумулятор. ^[3] Спутник питался от кремниевых солнечных элементов с эффективностью преобразования ≈10%. ^[4]

Успех системы Vanguard вдохновил оптическую компанию Spectrolab заняться разработкой солнечных элементов, специально предназначенных для космического применения. Свою первую крупную победу в проектировании они одержали на «Пионере-1» в 1958 году, а позже стали первыми элементами, отправившимися на Луну в составе «Аполлон-11» миссии пакета ALSEP . По мере того, как спутники росли в размерах и мощности, Spectrolab начала искать способы внедрения гораздо более мощных ячеек. Это побудило их стать пионерами в разработке многопереходных элементов, которые увеличили эффективность примерно с 12% для кремниевых элементов 1970-х годов до примерно 30% для нынешних элементов из арсенида галлия (GaAs). Эти типы элементов сейчас используются почти повсеместно на всех космических кораблях, работающих на солнечной энергии. ^[5]

Использование

Солнечные панели на космическом корабле обеспечивают электроэнергию для двух основных целей:

Питание для работы датчиков, активного обогрева, охлаждения и телеметрии.
Мощность для движения космического корабля с электрическим приводом , иногда называемая электрической двигательной установкой или солнечно-электрической двигательной установкой. ^[6]

Для обоих вариантов использования ключевым показателем качества солнечных панелей является удельная мощность (генерируемые ватты, разделенные на массу солнечной батареи ), которая указывает на относительной основе, сколько энергии будет генерировать одна батарея при заданной стартовой массе по сравнению с другой. Еще одним ключевым показателем является эффективность укладки (выработанная мощность, разделенная на убранный объем), которая показывает, насколько легко массив поместится в ракету-носитель. Еще одним ключевым показателем является стоимость (долларов за ватт). ^[7]

Чтобы увеличить удельную мощность, в типичных солнечных панелях на космических кораблях используются плотноупакованные прямоугольники солнечных элементов, которые покрывают почти 100% видимой Солнцу площади солнечных панелей, а не круговые солнечные пластины, которые, хотя и плотно упакованы, покрывают около 90% видимой Солнцу площади типичных солнечных панелей на Земле. Однако некоторые солнечные панели на космических кораблях имеют солнечные элементы, которые покрывают только 30% видимой Солнцем площади. ^[6]

Выполнение

Схема автобуса космического корабля на космическом телескопе Джеймса Уэбба , который питается от солнечных батарей (зеленого цвета на этом изображении в масштабе 3/4). Обратите внимание, что более короткие светло-фиолетовые удлинители представляют собой шторки радиатора, а не солнечные панели. ^[8]

Солнечные панели должны иметь большую площадь поверхности, которая может быть направлена на Солнце во время движения космического корабля. Большая открытая площадь поверхности означает, что больше электроэнергии можно преобразовать из световой энергии Солнца. Поскольку космический корабль должен быть небольшим, это ограничивает количество производимой энергии. ^[1]

Все электрические цепи генерируют отходящее тепло ; кроме того, солнечные батареи действуют как оптические, тепловые и электрические коллекторы. Тепло должно излучаться от их поверхностей. Космический корабль большой мощности может иметь солнечные батареи, которые конкурируют с самой активной полезной нагрузкой за рассеивание тепла. Самая внутренняя панель массивов может быть «пустой», чтобы уменьшить перекрытие представлений в пространстве. К таким космическим аппаратам относятся спутники связи большей мощности (например, TDRS последнего поколения ) и Venus Express , не мощные, но более близкие к Солнцу. ^{[ нужна ссылка ]}

Космический корабль сконструирован таким образом, что солнечные панели можно поворачивать во время движения космического корабля. Таким образом, они всегда могут оставаться на прямом пути световых лучей, независимо от того, как направлен космический корабль. Космические корабли обычно проектируются с солнечными панелями, которые всегда можно направить на Солнце, даже когда остальная часть корпуса космического корабля движется, подобно тому, как башня танка может быть нацелена независимо от того, куда движется танк. В солнечные батареи часто встроен механизм слежения, чтобы батарея была направлена на солнце. ^[1]

Иногда операторы спутников намеренно ориентируют солнечные панели «от точки» или вне прямой ориентации относительно Солнца. Это происходит, если аккумуляторы полностью заряжены и количество необходимой электроэнергии меньше, чем количество произведенной электроэнергии; Смещение наведения также иногда используется на Международной космической станции для уменьшения орбитального сопротивления . ^{[ нужна ссылка ]}

Проблемы ионизирующего излучения и их смягчение

Космос содержит различные уровни сильного электромагнитного излучения, а также ионизирующего излучения . Существует 4 источника излучений: радиационные пояса Земли (также называемые поясами Ван Аллена), галактические космические лучи (ГКЛ), солнечный ветер и солнечные вспышки . Пояса Ван Аллена и солнечный ветер содержат в основном протоны и электроны, тогда как ГКЛ в большинстве своем состоят из протонов очень высоких энергий, альфа-частиц и более тяжелых ионов. ^[9] В результате воздействия этих типов излучения со временем эффективность солнечных панелей будет снижаться, но скорость деградации будет сильно зависеть от технологии солнечных батарей и от местоположения космического корабля. При покрытиях панелей из боросиликатного стекла потеря эффективности может составлять 5–10% в год. Другие стеклянные покрытия, такие как кварцевые и свинцовые стекла, могут снизить потерю эффективности до менее чем 1% в год. Скорость деградации является функцией дифференциального спектра потока и общей ионизирующей дозы. ^{[ нужна ссылка ]}

Типы обычно используемых солнечных батарей

Вплоть до начала 1990-х годов солнечные батареи, используемые в космосе, в основном использовали солнечные элементы из кристаллического кремния . С начала 1990-х годов солнечные элементы на основе арсенида галлия стали предпочтительнее кремниевых, поскольку они имеют более высокую эффективность и медленнее разлагаются в условиях космического излучения, чем кремний. Наиболее эффективными солнечными элементами, производимыми в настоящее время, являются многопереходные фотоэлектрические элементы . В них используется комбинация нескольких слоев фосфида индия-галлия, арсенида галлия и германия для сбора большего количества энергии из солнечного спектра. Передовые многопереходные ячейки способны превышать 39,2% при неконцентрированном освещении AM1.5G и 47,1% при использовании концентрированного освещения AM1.5G. ^[10]

Космический корабль, использовавший солнечную энергию

На сегодняшний день солнечная энергия, за исключением двигательной установки, практична для космических кораблей, работающих не дальше от Солнца , чем орбита Юпитера . Например, «Юнона» , «Магеллан» , «Mars Global Surveyor » и «Mars Observer» использовали солнечную энергию, как и находящийся на околоземной орбите космический телескоп «Хаббл» . « Розетта» Космический зонд , запущенный 2 марта 2004 года, использовал солнечные панели площадью 64 квадратных метра (690 квадратных футов). ^[11] до орбиты Юпитера (5,25 а.е. ); Ранее самым дальним использованием был Stardust космический корабль на расстоянии 2 а.е. Солнечная энергия также использовалась в европейской лунной миссии SMART-1 с двигателем на эффекте Холла . ^[12]

Миссия «Юнона» , запущенная в 2011 году, является первой миссией к Юпитеру (прибыла к Юпитеру 4 июля 2016 года), в которой используются солнечные батареи вместо традиционных ритэгов, которые использовались в предыдущих миссиях за пределами Солнечной системы, что делает ее самым дальним космическим кораблем, который можно использовать. солнечные панели на сегодняшний день. ^[13]^[14] Он имеет панели площадью 50 квадратных метров (540 квадратных футов). ^[15]^[16]

Посадочный модуль InSight , Ingenuity вертолет , орбитальный аппарат Tianwen-1 и Zurong вездеход , работающие в настоящее время на Марсе, также используют солнечные батареи.

Еще одним интересным космическим кораблем был Dawn , который вышел на орбиту около 4 Весты в 2011 году. , он использовал ионные двигатели Чтобы добраться до Цереры . ^[17]

Был изучен потенциал космических кораблей на солнечных батареях за пределами Юпитера. ^[18]

Международная космическая станция также использует солнечные батареи для питания всего на станции. 262 400 солнечных элементов покрывают площадь около 27 000 квадратных футов (2500 м²). ²) пространства. Станцию питают четыре комплекта солнечных батарей, четвертый комплект был установлен в марте 2009 года. С помощью этих солнечных батарей можно вырабатывать 240 киловатт электроэнергии. Это соответствует средней мощности системы в 120 киловатт, включая 50% времени МКС в тени Земли. ^[19]

Будущее использование

Для будущих миссий желательно уменьшить массу солнечной батареи и увеличить мощность, вырабатываемую на единицу площади. Это уменьшит общую массу космического корабля и может сделать возможным эксплуатацию космических кораблей на солнечной энергии на больших расстояниях от Солнца. Массу солнечной батареи можно уменьшить с помощью тонкопленочных фотоэлектрических элементов, гибких подложек и композитных опорных конструкций. Эффективность солнечных батарей можно повысить за счет использования новых материалов для фотоэлектрических элементов и солнечных концентраторов, которые усиливают падающий солнечный свет. Солнечные батареи фотоэлектрических концентраторов для основного питания космического корабля представляют собой устройства, которые усиливают солнечный свет на фотогальванике. В этой конструкции используется плоская линза, называемая линзой Френеля , которая захватывает большую площадь солнечного света и концентрирует его в меньшем пятне, позволяя использовать меньшую площадь солнечного элемента.

Солнечные концентраторы помещают одну из этих линз на каждый солнечный элемент. Это фокусирует свет от большой области концентратора к меньшей области ячейки. Это позволяет уменьшить количество дорогих солнечных элементов за счет концентрации. Концентраторы работают лучше всего, когда есть один источник света и концентратор можно направить прямо на него. Это идеально для космоса, где Солнце является единственным источником света. Солнечные элементы — самая дорогая часть солнечных батарей, а сами батареи часто являются очень дорогой частью космического корабля. Эта технология может позволить значительно сократить затраты за счет использования меньшего количества материала. ^[20]

Галерея

Vanguard 1 — первый спутник на солнечной энергии
« Юнона» Космический зонд
Часть одной из Юноны » « солнечных панелей
Барабан солнечной панели в Hughes Aircraft Company, гр. 1979 год
Солнечные панели на Международной космической станции , сентябрь 2000 г.
черным светом Испытание солнечных элементов Dawn на с тройным переходом основе арсенида галлия ^[21]
Розетты Посадочный модуль Philae
Батареи марсианского вертолета питаются Ingenuity от солнечных батарей.

См. также

Информацию о солнечных батареях на Международной космической станции см. в разделе «Солнечные батареи МКС» или «Электрическая система Международной космической станции».
Вертолет Ingenuity Mars 2020 работает на батареях, питаемых солнечными батареями
Ядерная энергетика в космосе
Фотоэлектрическая система
Солнечная батарея
Солнечная энергия космического базирования

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Публикация НАСА JPL: Основы космических полетов, Глава 11. Типичные бортовые системы, подсистемы электроснабжения и распределения, «Основы космических полетов. Раздел II. Проекты космических полетов» . Архивировано из оригинала 18 мая 2008 г. Проверено 4 июля 2008 г.
^ «25 апреля 1954 года: Bell Labs демонстрирует первый практический кремниевый солнечный элемент» . Новости АПС . Апрель 2009 года.
^ Перлин, Джон (2005). «Конец 1950-х – спасенная космическая гонка» . СОЛНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ – История солнечной энергии . Институт Рахуса . Проверено 25 февраля 2007 г.
^ Солнечные батареи и их применение . Фраас, Льюис М., Партейн, LD (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. 2010. ISBN 978-0-470-63688-6 . OCLC 665868982 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
^ «История компании» . Спектролаб .
^ Jump up to: ^а ^б Публикация НАСА JPL: Основы космических полетов, Глава 11. Типичные бортовые системы, двигательные подсистемы, [1]. Архивировано 8 декабря 2006 г. на Wayback Machine.
^ Хоффман, Дэвид (июль 2000 г.). «Параметрическая оценка тонкопленочных солнечных батарей». АИАА . АИАА-2000-2919.
^ Статус JWST Sunshield и космического корабля Дж. Аренберг, Дж. Флинн, А. Коэн, Р. Линч и Дж. Купер
^ Ксапсос, Майкл А. (2006). «Моделирование космической радиационной обстановки» . Конференция IEEE по воздействию ядерной и космической радиации 2006 г. (NSREC) .
^ Эффективность солнечных батарей
^ «Часто задаваемые вопросы Розетты» . ЕКА . Проверено 2 декабря 2016 г.
^ «СМАРТ-1» . www.esa.int . Проверено 26 января 2023 г.
↑ Страница миссии «Юнона» на веб-сайте NASA New Frontiers . Архивировано 3 февраля 2007 г. на Wayback Machine . Проверено 31 августа 2007 г.
^ Лаборатория реактивного движения: космический корабль НАСА «Юнона» побил рекорд дальности использования солнечной энергии . 13 января 2016 г. Проверено 12 июля 2016 г.
^ «ЛРД: Расчет солнечной энергии в космосе» . Лаборатория реактивного движения . Проверено 15 октября 2023 г.
^ «Локхид Мартин: Глядя на Юпитер, как никогда раньше» . Проверено 15 октября 2023 г.
^ «Космический аппарат | Технологии» . Исследование Солнечной системы НАСА . Проверено 26 января 2023 г.
^ Скотт В. Бенсон - Солнечная энергия для исследования внешних планет (2007) - Исследовательский центр Гленна НАСА
^ Гарсия, Марк (31 июля 2017 г.). «О солнечных батареях космической станции» . НАСА . Проверено 6 декабря 2017 г.
^ НАСА. «Концентраторы улучшают солнечные энергетические системы» . Проверено 14 июня 2014 г.
^ «Солнечные батареи рассвета» . Голландский космос. 2007 . Проверено 18 июля 2011 г.

[EPSD-1] Jump up to: ^а ^б ^с Публикация НАСА JPL: Основы космических полетов, Глава 11. Типичные бортовые системы, подсистемы электроснабжения и распределения, «Основы космических полетов. Раздел II. Проекты космических полетов» . Архивировано из оригинала 18 мая 2008 г. Проверено 4 июля 2008 г.

[2] «25 апреля 1954 года: Bell Labs демонстрирует первый практический кремниевый солнечный элемент» . Новости АПС . Апрель 2009 года.

[3] Перлин, Джон (2005). «Конец 1950-х – спасенная космическая гонка» . СОЛНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ – История солнечной энергии . Институт Рахуса . Проверено 25 февраля 2007 г.

[4] Солнечные батареи и их применение . Фраас, Льюис М., Партейн, LD (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. 2010. ISBN 978-0-470-63688-6 . OCLC 665868982 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )

[spectro-5] «История компании» . Спектролаб .

[NASA11-6] Jump up to: ^а ^б Публикация НАСА JPL: Основы космических полетов, Глава 11. Типичные бортовые системы, двигательные подсистемы, [1]. Архивировано 8 декабря 2006 г. на Wayback Machine.

[7] Хоффман, Дэвид (июль 2000 г.). «Параметрическая оценка тонкопленочных солнечных батарей». АИАА . АИАА-2000-2919.

[8] Статус JWST Sunshield и космического корабля Дж. Аренберг, Дж. Флинн, А. Коэн, Р. Линч и Дж. Купер

[9] Ксапсос, Майкл А. (2006). «Моделирование космической радиационной обстановки» . Конференция IEEE по воздействию ядерной и космической радиации 2006 г. (NSREC) .

[10] Эффективность солнечных батарей

[rosettaFAQ-11] «Часто задаваемые вопросы Розетты» . ЕКА . Проверено 2 декабря 2016 г.

[12] «СМАРТ-1» . www.esa.int . Проверено 26 января 2023 г.

[13] Страница миссии «Юнона» на веб-сайте NASA New Frontiers . Архивировано 3 февраля 2007 г. на Wayback Machine . Проверено 31 августа 2007 г.

[14] Лаборатория реактивного движения: космический корабль НАСА «Юнона» побил рекорд дальности использования солнечной энергии . 13 января 2016 г. Проверено 12 июля 2016 г.

[15] «ЛРД: Расчет солнечной энергии в космосе» . Лаборатория реактивного движения . Проверено 15 октября 2023 г.

[16] «Локхид Мартин: Глядя на Юпитер, как никогда раньше» . Проверено 15 октября 2023 г.

[17] «Космический аппарат | Технологии» . Исследование Солнечной системы НАСА . Проверено 26 января 2023 г.

[18] Скотт В. Бенсон - Солнечная энергия для исследования внешних планет (2007) - Исследовательский центр Гленна НАСА

[19] Гарсия, Марк (31 июля 2017 г.). «О солнечных батареях космической станции» . НАСА . Проверено 6 декабря 2017 г.

[20] НАСА. «Концентраторы улучшают солнечные энергетические системы» . Проверено 14 июня 2014 г.

[21] «Солнечные батареи рассвета» . Голландский космос. 2007 . Проверено 18 июля 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]