stringtranslate.com

Солнечные панели на космическом корабле

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

Космические корабли , работающие во внутренней части Солнечной системы , обычно полагаются на использование фотоэлектрических солнечных панелей , управляемых силовой электроникой , 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 вместо этого в качестве источника энергии используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ). [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 ретрансляционных станций, 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. Они одержали свою первую крупную победу в проектировании на «Пионере-1» в 1958 году, а позже стали первыми элементами, отправившимися на Луну в составе пакета ALSEP миссии «Аполлон-11» . 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 на основе арсенида галлия (GaAs). Эти типы элементов сейчас используются почти повсеместно на всех космических кораблях, работающих на солнечной энергии. [5]

Использование

Солнечные панели на спутнике СММ обеспечивали электроэнергию. Здесь его захватывает космонавт с помощью пилотируемого маневренного аппарата .

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

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 группа при заданной стартовой массе по сравнению с другой. Еще одним ключевым показателем является эффективность упаковки в сложенном состоянии (выработанная мощность, деленная 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, типичные солнечные панели на космических кораблях используют плотно упакованные 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 для Солнца 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 цитата ]

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 направлена ​​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 цитата ]

Проблемы ионизирующего излучения и их смягчение

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

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 основном состоят из протонов очень высоких энергий, альфа-частиц и более тяжелых ионов. [9] Солнечные панели со временем будут испытывать снижение эффективности в результате этих типов излучения, 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 цитата ]

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

Солнечные панели, выдвинутые из телескопической установки Аполлона, питают приборы солнечной обсерватории на станции Скайлэб, которая также имела дополнительную батарею на главном космическом корабле.

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» . Космический зонд «Розетта» , 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 космический корабль Stardust 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] Площадь панелей составляет 50 квадратных метров (540 квадратных футов). [15] [16]

Посадочный модуль InSight , вертолет Ingenuity , орбитальный аппарат Tianwen-1 и вездеход Zurong , 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. Чтобы добраться до Цереры, он использовал ионные двигатели . [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 м 2 ). Станция питается четырьмя комплектами 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]

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 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 первичной энергии космического корабля представляют собой устройства, которые усиливают солнечный свет на фотоэлектрических элементах. 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

Смотрите также

Викискладе есть медиафайлы, связанные с солнечными панелями космических кораблей .

Рекомендации

  1. ^ abc 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 - спасены космической гонкой». СОЛНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ – История солнечной энергии . Институт Рахуса . Проверено 25 февраля 2007 г.
  4. ^ Солнечные элементы и их применение . Фраас, Льюис М., Партейн, LD (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. 2010. ISBN 978-0-470-63688-6. ОСЛК  665868982.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  5. ^ «История компании». Спектролаб .
  6. ^ ab Публикация НАСА JPL: Основы космических полетов, Глава 11. Типичные бортовые системы, двигательные подсистемы, [1] Архивировано 8 декабря 2006 г. в 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
  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. ^ «Лаборатория реактивного движения: Расчет солнечной энергии в космосе» . Проверено 15 октября 2023 г.
  16. ^ «Lockheed Martin: глядя на Юпитер, как никогда раньше» . Проверено 15 октября 2023 г.
  17. ^ «Космический корабль | Технология». 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 Dawn". Голландский космос. 2007 . Проверено 18 июля 2011 г.