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转化效率30%!空间光伏组件选择它而非晶硅电池

2019年09月11日 10:17来源:未知手机版

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自从NASA决定2024年再次将宇航员送上月球,其载人飞船Lunar Gateway也在紧张的研制中。其中,关于飞船用的动力系统 太阳能发电板已经确认,将由新墨西哥州SolAero Technologies与Maxar Technologies签订合同,为美国月球探测计划设计和制造太阳能电池。

根据双方的合同约定, SolAero将采用最新一代四结 Z4J 太阳能电池,为Gateway系统提供70kW的动力支持。这种四结太阳能电池在太空环境下具有超强抗辐射能力,SolAero计划在Albuquerque工厂用其专为批量生产卫星太阳能电池板和组件而设计的自动组装线来完成生产。

根据我们查到的相关资料,NASA的Lunar gateway系统是这样的:

空间太阳能电池长啥样?

卫星等航天器上的能源来源有三种,一是电池,二是核发电,三是太阳能。目前人类已发射的3000多颗各类人造卫星和航天器中,80%以上的卫星能源都是通过太阳能电池组件,将太阳的光能转换成电能。

空间用的太阳能电池板,不是我们常见的晶硅组件,一般都是砷化镓多结太阳能电池。因为对空间太阳能电池的具体要求和地面光伏电站不同:

1. 太阳能电池的转换效率必须高、重量必须轻;

2. 空间太阳能电池工作时会收到各种高能粒子和高强度紫外线的辐照,抗辐照性能必须高;

可以明显看出区别,地面光伏电站最主要考量的是度电成本,是投资回报,而空间太阳能电池只考虑效率、重量和抗辐射。空间太阳能电池采用多结砷化镓而不用晶硅电池的原因很简单:

1. 砷化镓的禁带较硅为宽,使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。单结的砷化镓电池理论效率达到30%,而多结的砷化镓电池实验室最高效率更超过50%。而晶硅电池的实验室转化效率不到30%。

此次SolAero采用的是最新一代四结 Z4J 太阳能电池。据悉,2016年我国发射的神舟11号飞船采用的砷化镓太阳能电池仍是高效三结电池,转化效率为27.5%。

据中国电子科技集团公司副总工程师周春林介绍,我国目前已经具备了生产30%效率的砷化镓大阳电池的能力,所以我们在后续的空间站建设中,将采用30%转化效率的电池。但关于神舟12号飞船尚未查到公开信息。如果周春林所说的砷化镓电池效率是30%,会不会就是与SolAero相似的四结太阳能电池呢?

2. 常规上,砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池,有实验数据表明,砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作,但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。

同样,中国电子科技集团公司副总工程师周春林介绍的神舟11号砷化镓太阳能电池板,高轨卫星能达到15年寿命,低轨卫星能达到8年寿命。

3. 砷化镓一般制成薄膜电池,重量比晶硅电池轻。

空间太阳能电池的发展

早期航天器上的太阳能电池阵是设置在航天器的外表面上:

图:最初航天器搜集太阳能的装置设置在航天器的外表面

后来由于航天器用电量需求的增加,发展为巨大的帆板,而且这种帆板的面积不断增大,发展到现在,多数已经像翅膀一样在航天器的两边展开,所以太阳能电池帆板又叫做太阳翼。太阳翼上贴有砷化镓片,靠它们将太阳光的光能转换成电能。

国际空间站的桁架的两端安装了数对大型的太阳能电池帆板,它们是国际空间站动力和能源的主要提供装置。

我国 神舟 飞船有一对太阳电池帆板

嫦娥号登月的月球车采用的是可伸缩的太阳能电池帆板白天工作时展开,夜晚还要耐低温,要收起来,将仪器设备包在里面。这种 包裹式睡眠 ,有助于保护各种仪器不被冻坏,确保月球车有剩余电力 自主醒来 ,重新展开太阳能电池帆板迎接阳光。

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