Солнечные батареи на космических кораблях - Solar panels on spacecraft

Массив солнечных панелей Международная космическая станция (Экспедиция 17 экипаж, август 2008 г.)

Космический корабль действующий во внутреннем Солнечная система обычно полагаются на использование фотоэлектрический солнечные панели получать электричество из Солнечный лучик. За пределами орбиты Юпитер, солнечное излучение слишком слабое, чтобы производить достаточную мощность в рамках нынешних солнечных технологий и ограничений массы космического корабля, поэтому радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) вместо этого используются в качестве источника энергии.[1]

История

Первым космическим кораблем, в котором использовались солнечные батареи, был Авангард 1 спутник, запущенный США в 1958 году. Во многом это произошло благодаря влиянию Др. Ханс Циглер, которого можно считать отцом солнечной энергии космических кораблей.[2] Спутник питался от кремниевых солнечных элементов с эффективностью преобразования ≈10%.[3]

Использует

Электроснабжение обеспечивали солнечные батареи на спутнике СММ. Здесь его запечатлел космонавт в мобильном скафандре, работающем от химической батареи.

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

Для обоих вариантов использования ключ добродетель солнечных панелей - удельная мощность (вырабатываемые ватты, деленные на солнечная батарея масса), который указывает на относительной основе, сколько энергии будет генерировать один массив при заданной стартовой массе по сравнению с другим. Другой ключевой показатель - это эффективность упаковки в сложенном состоянии (выработанная мощность в развернутом состоянии, разделенная на сложенный объем), которая показывает, насколько легко массив поместится в ракету-носитель. Еще один ключевой показатель - стоимость (в долларах за ватт).[5]

Для увеличения удельной мощности в типичных солнечных панелях на космических кораблях используются плотно упакованные прямоугольники солнечных элементов, которые покрывают почти 100% видимой Солнцу области солнечных панелей, а не солнечная пластина круги, которые, хотя и плотно упакованы, покрывают около 90% видимой Солнцу области типичных солнечных панелей на Земле. Однако некоторые солнечные панели на космических кораблях имеют солнечные элементы, которые покрывают только 30% видимой для Солнца области.[4]

Выполнение

Схема Автобус космического корабля по запланированному Космический телескоп Джеймса Уэбба, который питается от солнечных батарей (окрашен в зеленый цвет на этом 3/4 изображения). Обратите внимание, что более короткие светло-фиолетовые удлинители - это оттенки радиаторов, а не солнечных батарей.[6]

Солнечные панели должны иметь большую площадь поверхности, которая может быть направлена ​​к Солнцу при движении космического корабля. Более открытая поверхность означает, что больше электричества 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. От их поверхностей должно исходить тепло. Космические корабли большой мощности могут иметь солнечные батареи, которые конкурируют с самой активной полезной нагрузкой за рассеивание тепла. Самая внутренняя панель массивов может быть «пустой», чтобы уменьшить перекрытие взгляды в космос. К таким космическим аппаратам относятся спутники связи более высокой мощности (например, более поздние поколения TDRS ) и Venus Express, не мощный, но ближе к Солнцу.[нужна цитата ]

Космический корабль сконструирован так, 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 могут быть направлены на Солнце, даже когда остальная часть космического корабля движется, так же как турель танка может быть нацелена независимо от того, куда идет танк. Механизм слежения часто встроен в солнечные батареи, чтобы держать их направленными к солнцу.[1]

Иногда операторы спутников целенаправленно ориентируют солнечные панели «вне точки» или не в прямом направлении от Солнца. Это происходит, если батареи полностью заряжены, а количество необходимой электроэнергии меньше, чем количество произведенной электроэнергии; отклонение наведения также иногда используется на Международной космической станции для орбитальных уменьшение сопротивления.[нужна цитата ]

Проблемы ионизирующего излучения и смягчение его последствий

Юнона это второй космический аппарат, вышедший на орбиту Юпитера, и первый космический корабль, работающий на солнечной энергии.

Космос содержит различные уровни электромагнитного излучения, а также ионизирующего излучения. Есть 4 источника излучения: Радиационные пояса Земли (также называемые ремнями Ван Аллена), галактические космические лучи (GCR), Солнечный ветер и солнечные вспышки. Пояса Ван Аллена и солнечный ветер содержат в основном протоны и электроны, в то время как GCR - это в основном протоны очень высоких энергий, альфа-частицы и более тяжелые ионы.[7] Солнечные панели со временем будут испытывать снижение эффективности в результате этих типов излучения, но скорость ухудшения будет сильно зависеть от технологии солнечных элементов и от местоположения космического корабля. В случае панельных покрытий из боросиликатного стекла потеря эффективности может составлять 5-10% в год. Другие стеклянные покрытия, такие как плавленый кварц и свинцовые стекла, могут снизить эту потерю эффективности до менее 1% в год. Скорость разложения зависит от спектра дифференциального потока и общей ионизирующей дозы.

Типы обычно используемых солнечных батарей

Вплоть до начала 1990-х годов солнечные батареи, используемые в космосе, в основном использовались кристаллический кремний солнечные батареи. С начала 1990-х гг. Арсенид галлия Солнечные элементы на основе кремния стали более предпочтительными по сравнению с кремнием, потому что они имеют более высокую эффективность и разлагаются медленнее, чем кремний, в среде космического излучения. Самые эффективные солнечные элементы из производимых в настоящее время 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 элементы способны превышать 39,2% при неконцентрированном освещении AM1.5G и 47,1% при концентрированном освещении AM1.5G.[8]

Космический аппарат, использовавший солнечную энергию

Панели солнечных батарей выступают из телескопа Аполлона, питают инструменты солнечной обсерватории на станции Скайлэб, у которой также есть дополнительная решетка на главном космическом корабле.

На сегодняшний день солнечная энергия, за исключением двигательной установки, применяется для космических аппаратов, работающих не дальше солнце чем орбита Юпитер. Например, Юнона, Магеллан, Mars Global Surveyor, и Марсианский наблюдатель использовали солнечную энергию, как и на орбите Земли, Космический телескоп Хаббла. В Розетта Космический зонд, запущенная 2 марта 2004 года, использовала 64 квадратных метра (690 квадратных футов) солнечных панелей.[9] до орбиты Юпитер (5.25 Австралия ); ранее самым дальним использованием был Звездная пыль космический корабль в 2 AU. Солнечная энергия для движения также использовалась в европейской лунной миссии. СМАРТ-1 с Двигатель на эффекте Холла.[нужна цитата ]

В Юнона Миссия, запущенная в 2011 году, является первой миссией к Юпитеру (прибыла к Юпитеру 4 июля 2016 года) с использованием солнечных батарей вместо традиционных РИТЭГов, которые использовались в предыдущих миссиях за пределами Солнечной системы, что делает его самым дальним космическим кораблем, использующим солнечные батареи. на свидание.[10][11] Он имеет 72 квадратных метра (780 квадратных футов) панелей.[12]

Еще один интересный космический аппарат Рассвет который вышел на орбиту вокруг 4 Веста в 2011 году. ионные двигатели чтобы добраться до Церера.[нужна цитата ]

Возможности космических кораблей на солнечной энергии за пределами Юпитера были изучены.[13]

Международная космическая станция также использует солнечные батареи для питания всего на станции. 262400 солнечных элементов покрывают около 27000 квадратных футов (2500 кв.2) пространства. Четыре комплекта солнечных батарей питают станцию, и четвертый комплект батарей был установлен в марте 2009 года. Эти солнечные батареи могут вырабатывать 240 киловатт электроэнергии. Это составляет 120 киловатт средней мощности системы, включая 50% времени нахождения МКС в тени Земли.[14]

Будущее использование

Гибкие солнечные батареи исследуются для использования в космосе. В Разверните солнечную батарею (ROSA) была развернута на Международной космической станции в июле 2017 года.

Для будущих миссий желательно уменьшить массу солнечных батарей и увеличить мощность, вырабатываемую на единицу площади. Это уменьшит общую массу космического корабля и может сделать возможным использование космических аппаратов на солнечной энергии на больших расстояниях от Солнца. Масса солнечной батареи может быть уменьшена с помощью тонкопленочных фотоэлементов, гибких подложек и композитных опорных конструкций. Эффективность солнечной батареи можно повысить за счет использования новых материалов фотоэлектрических элементов и солнечных концентраторов, которые усиливают падающий солнечный свет. Фотовольтаические солнечные батареи-концентраторы для основного питания космических аппаратов - это устройства, которые усиливают солнечный свет на фотовольтаике. В этой конструкции используется плоская линза, называемая Линза Френеля, который поглощает большую площадь солнечного света и концентрирует его на меньшем участке, позволяя использовать меньшую площадь солнечного элемента.

Солнечные концентраторы помещают по одной из этих линз на каждый солнечный элемент. Это фокусирует свет из большой области концентратора в меньшую область ячейки. Это позволяет уменьшить количество дорогостоящих солнечных элементов за счет концентрации. Концентраторы работают лучше всего, когда есть единственный источник света и концентратор может быть направлен прямо на него. Это идеально подходит для космоса, где Солнце является единственным источником света. Солнечные элементы - самая дорогая часть солнечных батарей, а массивы часто являются очень дорогой частью космического корабля. Эта технология может позволить значительно сократить расходы за счет использования меньшего количества материала.[15]

Галерея

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Публикация NASA JPL: Основы космического полета, глава 11. Типовые бортовые системы, подсистемы электропитания и распределения, «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2008-05-18. Получено 2008-07-04.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  2. ^ Перлин, Джон (2005). «Конец 1950-х - космическая гонка спасла». СОЛНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ - История солнечной энергии. Институт Рахуса. Получено 2007-02-25.
  3. ^ Солнечные элементы и их применение. Фраас, Льюис М., Партейн, Л. Д. (2-е изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси: Wiley. 2010 г. ISBN  978-0-470-63688-6. OCLC  665868982.CS1 maint: другие (ссылка на сайт)
  4. ^ а б Публикация NASA JPL: Основы космического полета, глава 11. Типовые бортовые системы, двигательные подсистемы, http://www2.jpl.nasa.gov/basics/bsf11-4.html#propulsion В архиве 2006-12-08 в Wayback Machine
  5. ^ Хоффман, Дэвид (июль 2000 г.). "Оценка параметров тонкопленочных солнечных батарей". AIAA. AIAA-2000-2919.
  6. ^ Статус JWST Sunshield и космического корабля Дж. Аренберг, Дж. Флинн, А. Коэн, Р. Линч и Дж. Купер
  7. ^ Xapsos, Майкл А. (2006). «Моделирование радиационной космической среды». Конференция IEEE по ядерным и космическим радиационным эффектам (NSREC), 2006 г..
  8. ^ КПД солнечных батарей
  9. ^ "Часто задаваемые вопросы Розетты". ЕКА. Получено 2 декабря 2016.
  10. ^ Страница миссии Juno на веб-сайте NASA New Frontiers В архиве 2007-02-03 на Wayback Machine. Проверено 31 августа 2007.
  11. ^ Лаборатория реактивного движения: космический корабль НАСА Juno побил рекорд расстояния по солнечной энергии. 13 января, 2016. Проверено 12 июля, 2016.
  12. ^ Митрика, Драгош (18 января 2016 г.). «Шаттл НАСА Juno, работающий на солнечной энергии, преодолевает рекордное расстояние - 793 миллиона км от Солнца». ZME Science. Получено 2 декабря 2016.
  13. ^ Скотт В. Бенсон - Солнечная энергия для изучения внешних планет (2007) - Исследовательский центр Гленна НАСА
  14. ^ Гарсия, Марк (31.07.2017). "О солнечных батареях космической станции". НАСА. Получено 2017-12-06.
  15. ^ НАСА. «Концентраторы улучшают системы солнечной энергии». Получено 14 июн 2014.
  16. ^ "Солнечные батареи рассвета". Голландское пространство. 2007 г.. Получено 18 июля, 2011.