Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Группа солнечных батарей Международной космической станции ( экипаж 17-й экспедиции , август 2008 г.)

Космические аппараты, работающие во внутренней части Солнечной системы, обычно используют фотоэлектрические солнечные панели для получения электричества из солнечного света . За пределами орбиты Юпитера солнечное излучение слишком слабое, чтобы производить достаточную мощность в рамках нынешних солнечных технологий и ограничений массы космических аппаратов, поэтому вместо этого в качестве источника энергии используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). [1]

История [ править ]

Первым космическим кораблем, в котором использовались солнечные батареи, был спутник Vanguard 1 , запущенный США в 1958 году. Это произошло во многом благодаря влиянию доктора Ханса Циглера , которого можно считать отцом солнечной энергии космических кораблей. [2] Спутник питался от кремниевых солнечных элементов с эффективностью преобразования ≈10%. [3]

Использует [ редактировать ]

Электроснабжение обеспечивали солнечные батареи на спутнике СММ. Здесь он запечатлен космонавтом в мобильном скафандре, работающем на химической батарее.

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

Для обоих применений ключевым показателем качества солнечных панелей является удельная мощность (генерируемые ватты, деленные на массу солнечной батареи ), которая указывает на относительной основе, сколько мощности будет генерировать одна батарея при заданной стартовой массе относительно другой. Другой ключевой показатель - 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 - это стоимость (в долларах за ватт). [5]

Для увеличения удельной мощности типичные солнечные панели на космических кораблях используют плотно упакованные прямоугольники солнечных элементов, которые покрывают почти 100% видимой для Солнца области солнечных панелей, а не круги солнечных пластин, 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 для Солнца области. [4]

Реализация [ править ]

Схема автобуса космического корабля на планируемом космическом телескопе Джеймса Уэбба , который питается от солнечных батарей (выделен зеленым на этом изображении 3/4). 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 площадь поверхности означает, что больше электричества может быть преобразовано из световой энергии Солнца. Поскольку космический корабль должен быть небольшим, это ограничивает количество вырабатываемой энергии. [1]

Все электрические цепи выделяют отходящее тепло ; Кроме того, солнечные батареи действуют как оптические и тепловые, а также как 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 видов в пространстве. К таким космическим аппаратам относятся спутники связи с более высокой мощностью (например, TDRS более позднего поколения ) и Venus Express , не мощные, но более близкие к Солнцу. [ необходима цитата ]

Космический корабль построен 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 можно направить 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 включается 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 и количество необходимой электроэнергии меньше, чем количество произведенной электроэнергии; смещение также иногда используется на Международной космической станции для уменьшения сопротивления орбиты . [ необходима цитата ]

Проблемы ионизирующего излучения и смягчение его последствий [ править ]

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

Космос содержит различные уровни электромагнитного излучения, а также ионизирующего излучения. Есть 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 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. С панельными покрытиями из боросиликатного стекла потеря эффективности может составлять от 5 до 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 [ править ]

Вплоть до начала 1990-х годов в солнечных батареях, используемых в космосе, в основном использовались солнечные элементы из кристаллического кремния . С начала 1990-х годов солнечные элементы на основе арсенида галлия стали более предпочтительными по сравнению с кремнием, поскольку они имеют более высокий КПД и разлагаются медленнее, чем кремний, в условиях космического излучения. Самые эффективные солнечные элементы, производимые в настоящее время, - это многопереходные фотоэлектрические элементы . В них используется комбинация нескольких слоев фосфида индия-галлия, арсенида галлия и германия для получения 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]

Космические аппараты, работающие на солнечной энергии [ править ]

Солнечные панели выступают из телескопа Аполлона, питают инструменты солнечной обсерватории на станции Скайлэб, которая также имела дополнительную решетку на главном космическом корабле.

На сегодняшний день солнечная энергия, за исключением двигательной установки, применяется 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 орбитальный космический телескоп Хаббл . Rosetta космический зонд , запущенный 2 марта 2004 года, использовал свои 64 квадратных метров (690 кв.м) солнечных панелей [9] , насколько орбиты Юпитера (5,25 а.е. ); ранее самым дальним использованием был космический корабль Stardust.в 2 AU. Солнечная энергия для движения также использовалась в европейской лунной миссии SMART-1 с двигателем на эффекте Холла . [ необходима цитата ]

Миссия Juno , запущенная в 2011 году, является первой миссией к Юпитеру (прибыла на Юпитер 4 июля 2016 года), в которой используются солнечные батареи вместо традиционных РИТЭГов, которые использовались в предыдущих миссиях за пределами Солнечной системы, что делает его самым дальним космическим кораблем для использования солнечные панели на сегодняшний день. [10] [11] Он имеет 72 квадратных метра (780 квадратных футов) панелей. [12]

Еще один интересный космический аппарат - Dawn, который вышел на орбиту около 4 Весты в 2011 году. Он использовал ионные двигатели, чтобы добраться до Цереры . [ необходима цитата ]

Возможности космических аппаратов на солнечной энергии за пределами Юпитера изучались [13]

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. Четыре комплекта солнечных батарей питают станцию, а 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 [ править ]

Гибкие солнечные батареи исследуются для использования в космосе. Раскатать солнечные батареи (РОСА) была размещены 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 кораблей на солнечной энергии на больших расстояниях от Солнца. Масса солнечной батареи может быть уменьшена с помощью тонкопленочных фотоэлементов, гибких подложек и композитных опорных структур. 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 кораблей - это устройства, которые усиливают солнечный свет на фотовольтаике. В этой конструкции используется плоская линза, называемая линзой Френеля., который поглощает большую площадь солнечного света и концентрирует его на меньшем участке, позволяя использовать меньшую площадь солнечного элемента.

Солнечные концентраторы устанавливают по одной из этих линз на каждый солнечный элемент. Это фокусирует свет из большой области концентратора в меньшую область ячейки. Это позволяет уменьшить количество дорогих 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 - очень дорогая часть космического корабля. Эта технология может позволить значительно сократить расходы за счет использования меньшего количества материала. [15]

Галерея [ править ]

  • Авангард 1 , первый спутник на солнечной энергии

  • Юнона космический зонд

  • Часть одного из Juno ' S панели солнечных батарей

  • Солнечные батареи на Международной космической станции , сентябрь 2000 г.

  • Черный свет испытание рассвета «с тройным узлом арсенида галлия солнечных элементов [16]

  • Rosetta ' сек спускаемый аппарат Philae

См. Также [ править ]

  • Для солнечных батарей на Международной космической станции см. Солнечные батареи МКС или Электрическая система Международной космической станции.
  • Ядерная энергия в космосе
  • Фотоэлектрическая система
  • Солнечная батарея
  • Солнечная энергетика космического базирования

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Публикация Лаборатории реактивного движения НАСА: Основы космического полета, глава 11. Типовые бортовые системы, подсистемы электропитания и распределения, «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2008-05-18 . Проверено 4 июля 2008 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  2. ^ Перлин, Джон (2005). «Конец 1950-х - космическая гонка спасла» . СОЛНЕЧНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ - История солнечной энергии . Институт Рахуса . Проверено 25 февраля 2007 .
  3. ^ Солнечные элементы и их применение . Фраас, Льюис М., Партейн, Л. Д. (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. 2010. ISBN 978-0-470-63688-6. OCLC  665868982 .CS1 maint: другие ( ссылка )
  4. ^ a b Публикация Лаборатории реактивного движения НАСА: Основы космического полета, глава 11. Типовые бортовые системы, двигательные подсистемы, http://www2.jpl.nasa.gov/basics/bsf11-4.html#propulsion Архивировано 08 декабря 2006 г., Вайбак машина
  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» . 2006 Конференция IEEE по ядерным и космическим радиационным эффектам (NSREC) .
  8. ^ Эффективность солнечной батареи
  9. ^ "Часто задаваемые вопросы Розетты" . ЕКА . Проверено 2 декабря +2016 .
  10. ^ Страница миссии Juno в НАСА New Frontiers Web Site Архивированных 2007-02-03 в 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. ^ Mitrica, Dragos (18 января 2016). «Шаттл НАСА Juno, работающий на солнечной энергии, преодолевает рекордное расстояние - 793 миллиона км от Солнца» . ZME Science . Проверено 2 декабря +2016 .
  13. ^ Скотт В. Бенсон - Солнечная энергия для исследования внешних планет (2007) - Исследовательский центр Гленна НАСА
  14. ^ Гарсия, Марк (2017-07-31). "О солнечных батареях космической станции" . НАСА . Проверено 6 декабря 2017 .
  15. ^ НАСА. «Концентраторы улучшают системы солнечной энергии» . Проверено 14 июня 2014 .
  16. ^ "Солнечные массивы рассвета" . Голландский космос. 2007 . Проверено 18 июля 2011 года .