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  • 轉化效率30%!空間光伏組件選擇它而非晶硅電池
  • 2019-09-11 09:28:03  發布:  來源:光伏領跑者創新論壇
  • 摘要:轉化效率30%!空間光伏組件選擇它而非晶硅電池

    自從NASA決定2024年再次將宇航員送上月球,其載人飛船Lunar Gateway也在緊張的研制中。其中,關于飛船用的動力系統 – 太陽能發電板已經確認,將由新墨西哥州SolAero Technologies與Maxar Technologies簽訂合同,為美國月球探測計劃設計和制造太陽能電池。

    根據雙方的合同約定, SolAero將采用最新一代四結“Z4J” 太陽能電池,為Gateway系統提供70kW的動力支持。這種四結太陽能電池在太空環境下具有超強抗輻射能力,SolAero計劃在Albuquerque工廠用其專為批量生產衛星太陽能電池板和組件而設計的自動組裝線來完成生產。

    根據我們查到的相關資料,NASA的Lunar gateway系統是這樣的:


    空間太陽能電池長啥樣?

    衛星等航天器上的能源來源有三種,一是電池,二是核發電,三是太陽能。目前人類已發射的3000多顆各類人造衛星和航天器中,80%以上的衛星能源都是通過太陽能電池組件,將太陽的光能轉換成電能。

    空間用的太陽能電池板,不是我們常見的晶硅組件,一般都是砷化鎵多結太陽能電池。因為對空間太陽能電池的具體要求和地面光伏電站不同:

    1. 太陽能電池的轉換效率必須高、重量必須輕;

    2. 空間太陽能電池工作時會收到各種高能粒子和高強度紫外線的輻照,抗輻照性能必須高;

    可以明顯看出區別,地面光伏電站最主要考量的是度電成本,是投資回報,而空間太陽能電池只考慮效率、重量和抗輻射。空間太陽能電池采用多結砷化鎵而不用晶硅電池的原因很簡單:

    1. 砷化鎵的禁帶較硅為寬,使得它的光譜響應性和空間太陽光譜匹配能力較硅好。單結的砷化鎵電池理論效率達到30%,而多結的砷化鎵電池實驗室最高效率更超過50%。而晶硅電池的實驗室轉化效率不到30%。

    此次SolAero采用的是最新一代四結“Z4J” 太陽能電池。據悉,2016年我國發射的神舟11號飛船采用的砷化鎵太陽能電池仍是高效三結電池,轉化效率為27.5%。

    據中國電子科技集團公司副總工程師周春林介紹,我國目前已經具備了生產30%效率的砷化鎵大陽電池的能力,所以我們在后續的空間站建設中,將采用30%轉化效率的電池。但關于神舟12號飛船尚未查到公開信息。如果周春林所說的砷化鎵電池效率是30%,會不會就是與SolAero相似的四結太陽能電池呢?

    2. 常規上,砷化鎵電池的耐溫性要好于硅光電池,有實驗數據表明,砷化鎵電池在250℃的條件下仍可以正常工作,但是硅光電池在200℃就已經無法正常運行。

    同樣,中國電子科技集團公司副總工程師周春林介紹的神舟11號砷化鎵太陽能電池板,高軌衛星能達到15年壽命,低軌衛星能達到8年壽命。

    3. 砷化鎵一般制成薄膜電池,重量比晶硅電池輕。

    空間太陽能電池的發展

    早期航天器上的太陽能電池陣是設置在航天器的外表面上:



    圖:最初航天器搜集太陽能的裝置設置在航天器的外表面

    后來由于航天器用電量需求的增加,發展為巨大的帆板,而且這種帆板的面積不斷增大,發展到現在,多數已經像翅膀一樣在航天器的兩邊展開,所以太陽能電池帆板又叫做太陽翼。太陽翼上貼有砷化鎵片,靠它們將太陽光的光能轉換成電能。

    國際空間站的桁架的兩端安裝了數對大型的太陽能電池帆板,它們是國際空間站動力和能源的主要提供裝置。


    我國“神舟”飛船有一對太陽電池帆板


    嫦娥號登月的月球車采用的是可伸縮的太陽能電池帆板白天工作時展開,夜晚還要耐低溫,要收起來,將儀器設備包在里面。這種“包裹式睡眠”,有助于保護各種儀器不被凍壞,確保月球車有剩余電力“自主醒來”,重新展開太陽能電池帆板迎接陽光。

    而空間站越大,需要維持運營的電力越多,衛星的太陽能電池板也就越大、越多。


    圖為歐洲局計劃發射的“火星快車”的軌道器

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