Введение

Фотоэлектрические солнечные панели на космических аппаратах, работающих во внутренней Солнечной системе

Космические аппараты, работающие во внутренней Солнечной системе, как правило, используют управляемые силовой электроникой фотоэлектрические солнечные панели для получения электроэнергии от солнечного света. За пределами орбиты Юпитера солнечное излучение недостаточно сильное для выработки достаточной мощности при текущих технологиях солнечной энергетики и ограничениях по массе космических аппаратов, поэтому в качестве источника энергии используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ).

История

Первые практические кремниевые солнечные элементы были созданы Расселом Шумейкером Олом, исследователем в Bell Labs в 1940 году. Их эффективность составляла всего 1%. 25 апреля 1954 года в Мюррей-Хилле, штат Нью-Джерси, они продемонстрировали свою солнечную панель, используя её для питания небольшой игрушечной карусели и солнечного радиопередатчика. Первоначально их эффективность составляла около 6%, но улучшения начали повышать этот показатель почти сразу же. Компания Bell проявляла интерес к этой идее как к системе энергоснабжения удалённых телефонных ретрансляторных станций, но стоимость устройств была слишком высокой для практического применения в этой роли. Помимо небольших экспериментальных комплектов и отдельных применений, элементы оставались в основном невостребованными. Ситуация изменилась с разработкой первого американского космического аппарата – спутника Vanguard 1 в 1958 году. Расчёты доктора Ганса Зиглера показали, что система, использующая солнечные элементы для подзарядки аккумуляторной батареи, обеспечит необходимую мощность в гораздо более лёгком исполнении, чем использование только батареи. Спутник работал на кремниевых солнечных элементах с эффективностью преобразования около 10%. Успех системы Vanguard вдохновил компанию Spectrolab, занимающуюся оптикой, на разработку солнечных элементов, специально предназначенных для космических применений. Они получили свой первый крупный заказ на Pioneer 1 в 1958 году, а позже их элементы впервые побывали на Луне в составе пакета ALSEP миссии Apollo 11. С ростом размеров и энергопотребления спутников, Spectrolab начала искать способы создания более мощных элементов. Это привело к разработке многопереходных элементов, которые повысили эффективность с примерно 12% для их кремниевых элементов 1970-х годов до около 30% для их современных элементов на основе арсенида галлия (GaAs). Эти типы элементов теперь практически повсеместно используются на всех космических аппаратах, работающих на солнечной энергии.

Типы солнечных элементов, обычно используемых

До начала 1990-х годов в солнечных батареях, используемых в космосе, преимущественно применялись солнечные элементы на основе кристаллического кремния. С начала 1990-х годов солнечные элементы на основе арсенида галлия стали предпочтительнее кремния благодаря более высокой эффективности и меньшей скорости деградации в условиях космического излучения. В настоящее время наиболее эффективными производимыми солнечными элементами являются многопереходные фотоэлектрические элементы. Они используют комбинацию нескольких слоев фосфида индия-галлия, арсенида галлия и германия для более эффективного преобразования энергии солнечного спектра. Передовые многопереходные элементы способны достигать эффективности более 39,2% при неконцентрированном освещении AM1.5G и 47,1% при использовании концентрированного освещения AM1.5G.

Космические аппараты, которые использовали солнечную энергию

На сегодняшний день солнечная энергия, за исключением использования в качестве движителя, оказалась практичной для космических аппаратов, работающих не дальше орбиты Юпитера. Например, аппараты "Юнона", "Магеллан", "Марс Глобальный Сурвейер" и "Марс Обсерватор" использовали солнечную энергию, как и орбитальный телескоп "Хаббл". Космический зонд "Розетта", запущенный 2 марта 2004 года, использовал солнечные панели на расстоянии до орбиты Юпитера (5,25 а. е.); ранее самым дальним использованием был аппарат "Стардаст" на расстоянии 2 а. е. Солнечная энергия для движителя также применялась в европейской лунной миссии SMART 1 с использованием двигателей Холла. Миссия "Юнона", запущенная в 2011 году, стала первой миссией к Юпитеру (прибывшей к Юпитеру 4 июля 2016 года), использующей солнечные панели вместо традиционных РИТЭГов, применяемых в предыдущих миссиях к внешним планетам Солнечной системы, что делает её самым дальним космическим аппаратом, использующим солнечные панели на сегодняшний день. Она оснащена панелями. Ландер InSight, вертолёт Ingenuity, орбитальный аппарат Tianwen 1 и марсоход Zhurong, все в настоящее время работающие на Марсе, также используют солнечные панели. Другим интересным аппаратом был "Рассвет", вышедший на орбиту вокруг 4 Весты в 2011 году. Он использовал ионные двигатели для достижения Цереры. Изучается возможность использования солнечных батарей для космических аппаратов за пределами Юпитера. Международная космическая станция также использует солнечные батареи для питания всех систем станции. 262 400 солнечных элементов покрывают площадь около . На станции установлено четыре комплекта солнечных батарей, четвёртый из которых был установлен в марте 2009 года. Эти солнечные батареи способны генерировать 240 киловатт электроэнергии, что соответствует средней мощности системы в 120 киловатт, учитывая 50% времени пребывания МКС в тени Земли.

Будущее использование

Для будущих миссий желательно уменьшить массу солнечных батарей и увеличить вырабатываемую мощность на единицу площади. Это позволит снизить общую массу космического аппарата и может сделать возможным использование солнечных батарей на больших расстояниях от Солнца. Массу солнечных батарей можно уменьшить за счет использования тонкопленочных фотоэлектрических элементов, гибких оснований и композитных опорных конструкций. Эффективность солнечных батарей можно повысить, применяя новые материалы для фотоэлектрических элементов и солнечные концентраторы, которые усиливают падающий солнечный свет. Фотоэлектрические солнечные батареи с концентраторами, предназначенные для основного энергоснабжения космических аппаратов, – это устройства, которые концентрируют солнечный свет на фотоэлементах. В данной конструкции используется плоская линза, называемая линзой Френеля, которая собирает солнечный свет с большой площади и фокусирует его на меньшей, что позволяет использовать меньшую площадь солнечных элементов. Солнечные концентраторы устанавливают такую линзу над каждым фотоэлементом. Это фокусирует свет с большой площади концентратора на меньшую площадь элемента. Это позволяет уменьшить количество дорогостоящих солнечных элементов пропорционально степени концентрации. Концентраторы наиболее эффективны при наличии единственного источника света и возможности точного наведения на него. Это идеально подходит для космического пространства, где Солнце является единственным источником света. Солнечные элементы – самая дорогая часть солнечных батарей, а сами батареи часто составляют значительную часть стоимости космического аппарата. Эта технология может существенно снизить затраты за счет уменьшения расхода материалов.