轉(zhuǎn)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(guān)于飛船用的動(dòng)力系統(tǒng) – 太陽(yáng)能發(fā)電板已經(jīng)確認(rèn)，將由新墨西哥州SolAero Technologies與Maxar Technologies簽訂合同，為美國(guó)月球探測(cè)計(jì)劃設(shè)計(jì)和制造太陽(yáng)能電池。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“光伏領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇” ）

根據(jù)雙方的合同約定， SolAero將采用最新一代四結(jié)“Z4J” 太陽(yáng)能電池，為Gateway系統(tǒng)提供70kW的動(dòng)力支持。這種四結(jié)太陽(yáng)能電池在太空環(huán)境下具有超強(qiáng)抗輻射能力，SolAero計(jì)劃在Albuquerque工廠用其專(zhuān)為批量生產(chǎn)衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板和組件而設(shè)計(jì)的自動(dòng)組裝線來(lái)完成生產(chǎn)。

根據(jù)我們查到的相關(guān)資料，NASA的Lunar gateway系統(tǒng)是這樣的：

空間太陽(yáng)能電池長(zhǎng)啥樣?

衛(wèi)星等航天器上的能源來(lái)源有三種，一是電池，二是核發(fā)電，三是太陽(yáng)能。目前人類(lèi)已發(fā)射的3000多顆各類(lèi)人造衛(wèi)星和航天器中，80%以上的衛(wèi)星能源都是通過(guò)太陽(yáng)能電池組件，將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能。

空間用的太陽(yáng)能電池板，不是我們常見(jiàn)的晶硅組件，一般都是砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)能電池。因?yàn)閷?duì)空間太陽(yáng)能電池的具體要求和地面光伏電站不同：

1. 太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率必須高、重量必須輕;

2. 空間太陽(yáng)能電池工作時(shí)會(huì)收到各種高能粒子和高強(qiáng)度紫外線的輻照，抗輻照性能必須高;

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

1. 砷化鎵的禁帶較硅為寬，使得它的光譜響應(yīng)性和空間太陽(yáng)光譜匹配能力較硅好。單結(jié)的砷化鎵電池理論效率達(dá)到30%，而多結(jié)的砷化鎵電池實(shí)驗(yàn)室最高效率更超過(guò)50%。而晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率不到30%。

此次SolAero采用的是最新一代四結(jié)“Z4J” 太陽(yáng)能電池。據(jù)悉，2016年我國(guó)發(fā)射的神舟11號(hào)飛船采用的砷化鎵太陽(yáng)能電池仍是高效三結(jié)電池，轉(zhuǎn)化效率為27.5%。

據(jù)中國(guó)電子科技集團(tuán)公司副總工程師周春林介紹，我國(guó)目前已經(jīng)具備了生產(chǎn)30%效率的砷化鎵大陽(yáng)電池的能力，所以我們?cè)诤罄m(xù)的空間站建設(shè)中，將采用30%轉(zhuǎn)化效率的電池。但關(guān)于神舟12號(hào)飛船尚未查到公開(kāi)信息。如果周春林所說(shuō)的砷化鎵電池效率是30%，會(huì)不會(huì)就是與SolAero相似的四結(jié)太陽(yáng)能電池呢?

2. 常規(guī)上，砷化鎵電池的耐溫性要好于硅光電池，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jīng)無(wú)法正常運(yùn)行。

同樣，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司副總工程師周春林介紹的神舟11號(hào)砷化鎵太陽(yáng)能電池板，高軌衛(wèi)星能達(dá)到15年壽命，低軌衛(wèi)星能達(dá)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(yáng)能電池的發(fā)展

早期航天器上的太陽(yáng)能電池陣是設(shè)置在航天器的外表面上：

圖：最初航天器搜集太陽(yáng)能的裝置設(shè)置在航天器的外表面

后來(lái)由于航天器用電量需求的增加，發(fā)展為巨大的帆板，而且這種帆板的面積不斷增大，發(fā)展到現(xiàn)在，多數(shù)已經(jīng)像翅膀一樣在航天器的兩邊展開(kāi)，所以太陽(yáng)能電池帆板又叫做太陽(yáng)翼。太陽(yáng)翼上貼有砷化鎵片，靠它們將太陽(yáng)光的光能轉(zhuǎn)換成電能。

國(guó)際空間站的桁架的兩端安裝了數(shù)對(duì)大型的太陽(yáng)能電池帆板，它們是國(guó)際空間站動(dòng)力和能源的主要提供裝置。

我國(guó)“神舟”飛船有一對(duì)太陽(yáng)電池帆板

嫦娥號(hào)登月的月球車(chē)采用的是可伸縮的太陽(yáng)能電池帆板白天工作時(shí)展開(kāi)，夜晚還要耐低溫，要收起來(lái)，將儀器設(shè)備包在里面。這種“包裹式睡眠”，有助于保護(hù)各種儀器不被凍壞，確保月球車(chē)有剩余電力“自主醒來(lái)”，重新展開(kāi)太陽(yáng)能電池帆板迎接陽(yáng)光。

而空間站越大，需要維持運(yùn)營(yíng)的電力越多，衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板也就越大、越多。

圖為歐洲局計(jì)劃發(fā)射的“火星快車(chē)”的軌道器

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