stringtranslate.com

Солнечные панели на космических кораблях

Солнечная батарея Международной космической станции ( экипаж 17-й экспедиции , август 2008 г.)

Космические аппараты, работающие во внутренней Солнечной системе , обычно полагаются на использование управляемых электроникой фотоэлектрических солнечных панелей для получения электроэнергии из солнечного света . За пределами орбиты Юпитера солнечное излучение слишком слабое, чтобы производить достаточно энергии в рамках современных солнечных технологий и ограничений массы космических аппаратов, поэтому вместо этого в качестве источника энергии используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ). [1] [ устаревший источник ]

История

Первые практические солнечные элементы на основе кремния были представлены исследователем Bell Labs Расселом Шумейкером Олом 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 они были эффективны примерно на 6%, но улучшения начали увеличивать это число почти сразу. Белл был заинтересован в идее как в системе для обеспечения питания на удаленных телефонных ретрансляторах, но стоимость устройств была слишком высока, чтобы быть практичными в этой роли. Помимо небольших экспериментальных наборов и применений, ячейки оставались в значительной степени неиспользованными. [2]

Ситуация изменилась с разработкой первого американского космического корабля, спутника Vanguard 1 в 1958 году. Расчеты доктора Ганса Циглера показали, что система, использующая солнечные элементы, подзаряжающие аккумуляторную батарею, обеспечит необходимую мощность в гораздо более легком общем корпусе, чем при использовании только батареи. [3] Спутник питался от кремниевых солнечных элементов с эффективностью преобразования ≈10%. [4]

Успех системы Vanguard вдохновил Spectrolab , оптическую компанию, заняться разработкой солнечных элементов, специально предназначенных для космических приложений. Они добились своей первой крупной победы в разработке Pioneer 1 в 1958 году, а позже стали первыми элементами, которые отправились на Луну в составе пакета ALSEP миссии Apollo 11. По мере того, как спутники росли в размерах и мощности, Spectrolab начала искать способы внедрения гораздо более мощных элементов. Это привело их к пионерам в разработке многопереходных элементов, которые увеличили эффективность с примерно 12% для их кремниевых элементов 1970-х годов до примерно 30% для их современных элементов на основе арсенида галлия (GaAs). Эти типы элементов теперь используются практически повсеместно на всех космических аппаратах с солнечными батареями. [5]

Использует

Солнечные панели на спутнике SMM обеспечивали электроэнергию. Здесь ее улавливает астронавт с помощью пилотируемого маневренного блока .

Солнечные панели на космических аппаратах обеспечивают электроэнергией два основных вида использования:

Для обоих вариантов использования ключевым показателем качества солнечных панелей является удельная мощность (вырабатываемые ватты, деленные на массу солнечной батареи ), которая показывает на относительной основе, сколько энергии будет вырабатывать одна батарея для заданной массы запуска относительно другой. Другой ключевой метрикой является эффективность укладки (развернутые вырабатываемые ватты, деленные на уложенный объем), которая показывает, насколько легко батарея поместится в ракету-носитель. Еще одной ключевой метрикой является стоимость (долларов за ватт). [7]

Для увеличения удельной мощности типичные солнечные панели на космических аппаратах используют плотно упакованные прямоугольники солнечных элементов, которые покрывают почти 100% видимой Солнцем области солнечных панелей, а не солнечные пластинчатые круги, которые, даже будучи плотно упакованными, покрывают около 90% видимой Солнцем области типичных солнечных панелей на Земле. Однако некоторые солнечные панели на космических аппаратах имеют солнечные элементы, которые покрывают только 30% видимой Солнцем области. [6]

Выполнение

Схема космического корабля на космическом телескопе Джеймса Уэбба , который питается от солнечных панелей (окрашены в зеленый цвет на этом виде в 3/4). Обратите внимание, что более короткие светло-фиолетовые расширения — это абажуры радиатора, а не солнечные панели. [8]

Солнечные панели должны иметь большую площадь поверхности, которая может быть направлена ​​к Солнцу по мере движения космического корабля. Большая открытая площадь поверхности означает, что больше электроэнергии может быть преобразовано из световой энергии Солнца. Поскольку космические корабли должны быть небольшими, это ограничивает количество энергии, которое может быть произведено. [1]

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. Мощные космические аппараты могут иметь солнечные батареи, которые конкурируют с самой активной полезной нагрузкой за тепловое рассеивание. Самая внутренняя панель батарей может быть «пустой», чтобы уменьшить перекрытие видов на космос. Такие космические аппараты включают в себя спутники связи с большей мощностью (например, TDRS более позднего поколения ) и Venus Express , не очень мощные, но более близкие к Солнцу . [ требуется цитата ]

Космические корабли построены таким образом, что солнечные панели могут поворачиваться по мере движения 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 если остальная часть корпуса космического корабля движется, подобно тому, как башня танка может быть направлена ​​независимо от того, куда движется танк. Механизм слежения часто встроен в солнечные батареи, чтобы удерживать решетку направленной на Солнце. [1]

Иногда операторы спутников намеренно ориентируют солнечные панели в «неправильную точку» или вне прямого выравнивания с Солнцем. Это происходит, если батареи полностью заряжены, а количество необходимого электричества меньше, чем количество произведенного электричества; смещение направления также иногда используется на Международной космической станции для уменьшения орбитального сопротивления . [ требуется цитата ]

Проблемы ионизирующего излучения и смягчение их последствий

«Юнона» — второй космический аппарат, вышедший на орбиту Юпитера, и первый аппарат на солнечной энергии, сделавший это.

Космос содержит различные уровни сильного электромагнитного излучения, а также ионизирующего излучения . Существует 4 источника излучения: 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, в то время как ГКЛ в основном состоят из очень высокоэнергетических протонов, альфа-частиц и более тяжелых ионов. [9] Солнечные панели будут испытывать снижение эффективности с течением времени в результате этих типов излучения, но скорость деградации будет сильно зависеть от технологии солнечных элементов и от местоположения космического корабля. При покрытии панелей боросиликатным стеклом это может составлять от 5 до 10% потери эффективности в год. Другие стеклянные покрытия, такие как плавленый кварц и свинцовые стекла, могут снизить эту потерю эффективности до менее 1% в год. Скорость деградации является функцией дифференциального спектра потока и общей ионизирующей дозы. [ необходима цитата ]

Типы обычно используемых солнечных элементов

До начала 1990-х годов солнечные батареи, используемые в космосе, в основном использовали кристаллические кремниевые солнечные элементы. С начала 1990-х годов солнечные элементы на основе арсенида галлия стали предпочтительнее кремниевых, поскольку они имеют более высокую эффективность и медленнее, чем кремний, деградируют в условиях космического излучения. Наиболее эффективными солнечными элементами, которые в настоящее время производятся, являются многопереходные фотоэлектрические элементы . Они используют комбинацию из 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. [10]

Космические аппараты, использующие солнечную энергию

Солнечные панели, выдвинутые из телескопического крепления «Аполлон», питают приборы солнечной обсерватории на станции «Скайлэб», которая также имела дополнительную батарею на основном космическом аппарате.

На сегодняшний день солнечная энергия, за исключением энергии для движения, была практичной для космических аппаратов, работающих не дальше от Солнца , чем орбита Юпитера . Например, Juno , Magellan , Mars Global Surveyor и Mars Observer использовали солнечную энергию, как и вращающийся вокруг Земли космический телескоп Hubble . Космический зонд Rosetta , запущенный 2 марта 2004 года, использовал свои 64 квадратных метра (690 квадратных футов) солнечных панелей [11] до орбиты Юпитера (5,25 а.е. ); ранее самым дальним применением был космический аппарат Stardust на расстоянии 2 а.е. Солнечная энергия для движения также использовалась в европейской лунной миссии SMART-1 с двигателем на эффекте Холла . [12]

Миссия Juno , запущенная в 2011 году, является первой миссией к Юпитеру (прибыла к Юпитеру 4 июля 2016 года), использующей солнечные панели вместо традиционных РИТЭГов, которые использовались в предыдущих миссиях за пределы Солнечной системы, что делает ее самым дальним космическим аппаратом, использующим солнечные панели на сегодняшний день. [13] [14] Он имеет 50 квадратных метров (540 квадратных футов) панелей. [15] [16]

Посадочный модуль InSight , вертолет Ingenuity , орбитальный аппарат Tianwen-1 и марсоход Zhurong , которые в настоящее время работают на Марсе, также используют солнечные батареи.

Другим интересным космическим аппаратом был Dawn , который вышел на орбиту вокруг 4 Весты в 2011 году. Он использовал ионные двигатели , чтобы добраться до Цереры . [17]

Изучался потенциал космических аппаратов на солнечных батареях за пределами Юпитера. [18]

Международная космическая станция также использует солнечные батареи для питания всего на станции. 262 400 солнечных элементов покрывают около 27 000 квадратных футов (2 500 м 2 ) пространства. Есть четыре набора солнечных батарей, которые питают станцию, и четвертый набор батарей был установлен в марте 2009 года. 240 киловатт электроэнергии могут быть получены с помощью этих солнечных батарей. Это составляет 120 киловатт средней мощности системы, включая 50% времени МКС в тени Земли. [19]

Гибкие солнечные батареи исследуются для использования в космосе. Roll Out Solar Array (ROSA) была развернута на Международной космической станции в июле 2017 года.

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 эксплуатацию космических аппаратов на солнечных батареях возможной на больших расстояниях от солнца. Масса солнечной батареи может быть уменьшена с помощью тонкопленочных фотоэлектрических элементов, гибких подложек и композитных опорных конструкций. Эффективность солнечной батареи может быть улучшена за счет использования новых материалов для фотоэлектрических элементов и солнечных концентраторов, которые усиливают падающий солнечный свет. Солнечные батареи с фотоэлектрическим концентратором для первичной мощности космического корабля представляют собой устройства, которые усиливают солнечный свет на фотоэлектрических элементах. Эта конструкция использует плоскую линзу, называемую линзой Френеля , которая берет большую площадь солнечного света и концентрирует его на меньшем пятне, позволяя использовать меньшую площадь солнечного элемента.

Солнечные концентраторы помещают одну из этих линз над каждым солнечным элементом. Это фокусирует свет из большой области концентратора вниз на меньшую область элемента. Это позволяет уменьшить количество дорогих солнечных элементов на величину концентрации. Концентраторы работают лучше всего, когда есть один источник света, и концентратор может быть направлен прямо на него. Это идеально в космосе, где Солнце является единственным источником света. Солнечные элементы являются самой дорогой частью солнечных батарей, а батареи часто являются очень дорогой частью космического корабля. Эта технология может позволить значительно сократить расходы за счет использования меньшего количества материала. [20]

Галерея

Смотрите также

На Викискладе есть медиафайлы по теме Солнечные панели космических аппаратов .

Ссылки

  1. ^ abc NASA JPL Publication: Основы космического полета, Глава 11. Типичные бортовые системы, Подсистемы электропитания и распределения, "Основы космического полета. Раздел II. Проекты космических полетов". Архивировано из оригинала 2008-05-18 . Получено 2008-07-04 .
  2. ^ "25 апреля 1954 г.: Bell Labs демонстрирует первый практически применимый кремниевый солнечный элемент". APS News . Апрель 2009 г.
  3. ^ Перлин, Джон (2005). «Конец 1950-х – Спасенные космической гонкой». СОЛНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ – История солнечной энергии . Институт Рахуса . Получено 25.02.2007 .
  4. ^ Солнечные элементы и их применение . Фраас, Льюис М., Партейн, Л. Д. (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Wiley. 2010. ISBN 978-0-470-63688-6. OCLC  665868982.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  5. ^ "История компании". Spectrolab .
  6. ^ ab NASA JPL Publication: Основы космических полетов, Глава 11. Типичные бортовые системы, Подсистемы движения, [1] Архивировано 08.12.2006 на Wayback Machine
  7. ^ Хоффман, Дэвид (июль 2000 г.). «Параметрическая оценка тонкопленочной солнечной батареи». AIAA . AIAA-2000-2919.
  8. ^ Статус солнцезащитного экрана и космического корабля JWST Дж. Аренберг, Дж. Флинн, А. Коэн, Р. Линч и Дж. Купер
  9. ^ Xapsos, Michael A. (2006). «Моделирование космической радиационной среды». Конференция IEEE 2006 года по ядерным и космическим радиационным эффектам (NSREC) .
  10. ^ Эффективность солнечных элементов
  11. ^ "Часто задаваемые вопросы Rosetta". ESA . ​​Получено 2 декабря 2016 .
  12. ^ "SMART-1". www.esa.int . Получено 2023-01-26 .
  13. ↑ Страница миссии Juno на веб-сайте NASA's New Frontiers. Архивировано 03.02.2007 на Wayback Machine . Получено 31.08.2007.
  14. ↑ Лаборатория реактивного движения: Космический аппарат НАСА «Юнона» побил рекорд дальности передачи солнечной энергии. 13 января 2016 г. Получено 12 июля 2016 г.
  15. ^ "JPL: Расчет солнечной энергии в космосе". Лаборатория реактивного движения . Получено 15 октября 2023 г.
  16. ^ "Lockheed Martin: Взгляд на Юпитер, как никогда прежде" . Получено 15 октября 2023 г.
  17. ^ "Космический корабль | Технологии". NASA Solar System Exploration . Получено 2023-01-26 .
  18. ^ Скотт У. Бенсон – Исследование солнечной энергии для внешних планет (2007) – Исследовательский центр имени Гленна в НАСА
  19. ^ Гарсия, Марк (2017-07-31). «О солнечных батареях космической станции». NASA . Получено 2017-12-06 .
  20. ^ NASA. "Концентраторы улучшают солнечные энергосистемы" . Получено 14 июня 2014 г.
  21. ^ "Dawn Solar Arrays". Dutch Space. 2007. Получено 18 июля 2011 .