太阳能在航空航天中的应用

太阳能在航空航天中的应用摘 要近几年世界各国家对于航天事业的关注越来越大， 航天器的研究也越来越广泛， 而作为航天器的主流能源供给系统的太阳电池阵也在技术、 结构等方面不断地得到提升， 逐步适应各种高难度复杂的航天要求。 太阳电池阵是在轨航天器主要的电源系统。 太阳电池阵由连入一定电路的太阳电池纵横排列而成， 利用阳光直接发电而无化学过程。 在太阳电池阵的发展历程中， 其构型不断演变， 变得日趋先进与完善。 如今太阳电池阵的设计更多的融入发散思维与创新思维， 在向新的台阶跨进， 以满足更为复杂的航天任务。 在本文中， 我们将对太阳电池阵的发展历程进行回顾，并了解其发展现状以及展望未来的前景。关键词：航天器 电池阵 发展过程1 太阳能在航空航天中的应用目 录绪言 3一 . 空间环境对太阳电池阵的影响 . 41.1 空间粒子辐射对太阳电池阵的影响 41.2 原子氧 (LEO)对太阳电池阵的影响 . 41.3 地磁亚暴对太阳电池阵的影响 5二 . 航天器太阳电池阵的发展过程 . 6三 . 航天器太阳电池阵的发展现状 . 8四 . 航天器太阳电池阵的前景与展望 . 9五 . 结束语 10 参考文献 . 112 太阳能在航空航天中的应用绪 言对于航天器，我们所知甚少，而太阳能电池阵，就少之又少，而太阳能是航天器上最广泛的能源。 太阳能电池阵有时也称为太阳能帆板， 是将太阳能转换成电能的装置。它的面积很大，在航天器的两边展开，因此又叫做太阳翼。它上面贴有半导体硅片或砷化镓片， 就是它们把太阳能转换成电能。 早期的航天器上太阳能电池阵是设置在航天器的外表面， 后来因为用电需求不断增加， 才发展成巨大的帆板的，而这种帆板也在不断地增大中。20 世纪 90 年代以来，随着空间站、载人飞船、以及深空探测计划的进一步实施， 对航天器太阳电池阵提出了更高的要求。 对于太阳能电池的研究， 我国是从 1958 首块硅单晶的研制成功开始的， 经历了 60 多年的发展， 目前已经非常普遍的应用于人民的生活中。太阳能电池的研制最先就是应用于航天方面的，在“ 实践 1 号卫星 ” 的航天过程中首次使用。 虽然经历了很多的挫折和失败， 但同时也得到了更多宝贵的经验。在 1971 年 “ 实践 1 号卫星 ” 成功发射，经过 8 年的使用，硅太阳电池功率衰减也只有 15%。但是在 1969 年，我们结束了硅太阳能电池研制， 同时随着航天器中能源需求的不断增大， 太阳能电池阵的发展日趋完善。3 太阳能在航空航天中的应用一 . 空间环境对太阳电池阵的影响在卫星电源系统太阳电池阵的设计中，空间环境、飞行轨道、布片面积、太阳入射角、 温度等都是决定太阳阵最终功率输出的因素。 在设计中， 要综合考虑这些条件。 另外， 不同类型的卫星针对自身的特点， 还会有一些特殊的技术要求，在新技术的研制过程中，对空间环境的适应性是极为重要的一个部分。太阳电池阵受空间环境的影响主要有以下几个方面：1.1 空间粒子辐射对太阳电池阵的影响不论是低地球轨道还是高轨道（如同步轨道）的卫星，对于直接暴露在外层空间的太阳电池阵来说，空间带电粒子的辐射都是存在的。只是根据轨道高度、轨道倾角和在轨寿命的长短不同， 累积通量有大有小， 太阳电池阵的输出功率呈现不同程度的衰降。 造成这种衰降主要是由于电子和质子的辐射引起的。 在低轨道中，地磁俘获电子和质子的可能都很多，在高轨道中，当太阳活动峰年时期，太阳耀斑质子的影响将会加大太阳阵功率的衰降，是不可忽略的一点。为了保证太阳阵在寿命末期有足够的物出功率， 对带电粒子辐射引起的电性能衰降必须做一个较为准确的预计， 同时采取相应的抗辐射加固措施， 尽量减少辐射带来的太阳阵功率损失和材料的退化．例如在太阳阵重量允许的情况下，选用较厚的太阳电池玻璃盖片，以尽量降低辐射对电池的伤害。为了防止低能质子从电池的侧面进入太阳电池的活性区，采用外形尺寸略大的玻璃盖片进行保护， 两侧裸露的间隙用胶粘剂填缝覆盖。 此外，减薄单体太阳电池的厚度，也可提高电池本身的抗辐射能力。1.2 原子氧 (LEO)对太阳电池阵的影响卫星运行的近地轨道环境（ LEO）中，大气的主要成分氧分子受到波长范围在 100-200nm的太阳紫外线辐射分解而形成原子氧（ AO） ，对于在 LEO中吃行的长寿命航天器，与 AO接触的概率是很高的。因为在该环境中存在相当量的 O2，促进了 AO的产生。而 AO与其周围相邻的原子和分子相互作用的可能很小‘在LEO中， 气体分子的平均热运动速度很低， 碰撞产生的能量也是很低的。 而在 LEO4 太阳能在航空航天中的应用中飞行的航天器具有很高的运行速度（通常为 8Km/s） ，尽管 AO在大气成分的体密度宁刻氏，仍可在航天器表面产生 1013-1015 atom/cm ＾ 2*s AO 的通量密度。AO与飞行器表面碰撞时产生的能量可达 4.5-5eV 。 这足以使许多表面材料发生化学反应，使其星现明显的剥蚀及其它性能的退化，进而影响坛行器的使用寿命。AO与其成分的相对丰度在 350-700Km范围内最高。 航天器在轨运行期间， 电源系统的太阳电池阵直接暴露在原子氧环境之下，太阳阵表面材料对 AO的敏感度会直接影响到太阳阵的性能。空间暴露试验确认了航天器上所用的材科在 AO环境中发生了复杂的化学反应。 许多金属材料 （其中银尤为的突出， 可达其它金属材料变化星的 8 倍以上） 表面生成厚厚的氧化物层。 对于空间工程中应用较多的一类聚酞亚胺聚合物材料， 发生了质量损失、 热光学性能和机械性能的变化表面呈凹凸不平状，剥蚀深度达 12.7um，剥蚀量约为 2.5 × 10＾ -24cm3。而对于Kevlar 增强复合材料， SEM照片中显示暴露部分外层的环氧全部被剥蚀掉，Kevlar 纤维只剩一小部分碳纤维复合材料也同样受到 AO的作用， 暴露后的纤维多成片断状， 且有针形灰状物质出现。 纤维的拉伸强度和弹性模量值有显著的减少。用于太阳电池及组件之间的电连接的银互连器。属于对 AO敏感的金属，暴露在 AO环境卜的银与 AO相互作用生成银的氧化物， 氧化银的晶格空间要比块状银大 55%， 氧化的银层表面疏松， 会粉末式地脱落， 露出的新鲜银表面则又被 AO腐蚀，这样周而复始，银互连器的结构完整性就会受到破坏，影响其导电作用 . 不同材料抗原子氧的防护措施多种多样。对 AO敏感的金属（如银）在其表面沉积防护层可起到抗氧化的作用。 这一技术己应用于 “神舟” 号载人飞船的太阳电池阵。 “神舟”号载人飞船属近地轨道运行航犬器，处于 AO丰度较高范围。在太阳电池银互连器的表层真空蒸镀一层金，有效地防止了 AO对银层的氧化作用。对于象 Kempton、 Kevlar 等类型材料的防护则可选用 AL 保护层、 TIO 保护涂层和 SiOx 无机涂层。在对 Kempton材料的试验研究中还发现一些保护涂层在与 AO作用时形成了新的保护层，减小 Kempton材料的损失。1.3 地磁亚暴对太阳电池阵的影响较小的太阳活动引起高能电子的故射使地磁场和等离子层 （由电子和离子组5 太阳能在航空航天中的应用成） 的均衡状态受到干扰， 高能电子流可能会撞到卫星上， 这种现象称为地磁亚暴。 它会使卫星表面充电， 相对于周围的等离子体存在很大的负电位， 高达加千伏的电压差。 当卫星出影时。 受光照的介质和导电表面放射出的光生电子就会使卫星表面发生放电： 而末受光照的表面上仍保持充电状态。 那么光照与阴影界面处就能够存在较高电压差， 因此而引起的电弧放电将会产生无线电干扰， 并损坏材料和元件。太阶电池阵直接暴露在空间带电粒子环境中， 空间等离子体作用于卫星太阳电池阵表面， 当太阳阵处于非光照区时， 星体被带电粒子充电， 存在一个较高的负电位。 当处于光照区时， 玻璃盖片表面由于光照产生的光生发射电子， 等离子体中电子的撞击产生的二次发射电子， 这些发射的电子的数量远大于盖片表面俘获电子的数量， 使玻璃盖片与互连器之间以及玻璃盖片和基板之间存在着较高的电位差。 当电位差足够大超过阐值电压时， 就会发生静电放电现象， 如果连续放电， 会导致局部范围内基板的温度上升， 使聚酞亚胺膜发生热解反应， 绝缘性能下降，严重时太阳电池阵将永久性短路，不能再为卫星提供电源。防止太阳电池阵表面静电充／放电的发生，就要降低太阳阵表面的电位差。可以通过在太阳电池边缘填胶、 减小相邻电池串之间的电位差或减小每个电路的电流的方法来降低放电的可能性或阻止连续放电，使聚酞亚胺膜不发生热解反应， 也就不会出现绝缘性能卜降的问题。 但太阳阵表面沉积的电荷仍然存在， 只有将这些电荷从某一个通道泄放掉， 使太阳阵表面等电位， 才能从本质上防止静电充／放电的发生。二 . 航天器太阳电池阵的发展过程太阳电池阵简称太阳阵，是航天器上的太阳能电池组成的阵列，由多个带盖片的单体太阳电池按供电要求以串、并联方式组成。第一种实用性的太阳电池是 1954 年研制成功的。然而由于这类早起点吃的价格较高， 效率较低， 加之顾客对许多新产品通常持有的怀疑态度， 因此阻碍了它们的广泛应用。 20 世纪 60 年代，日本、法国、苏联等国家通过不同的方法使太阳阵的功能及效益得到改善得以使之投入应用之中。 而太阳阵在航空器上的应6 太阳能在航空航天中的应用用则是从人类探索宇宙后不久即开始了。 1957 年 10 月 4 日，苏联把第一颗人造卫星送入地球轨道， 意味着空间时代的开始， 但是这颗卫星和苏联之后发射的第二颗人造卫星一样都只是使用化学电池作为能源。 1958 年，苏联第一次将太阳阵用在了卫星上，但是其效率很低， 6 年多的时间里，该太阳能系统提供的功率不到一瓦。自从 1957年以来， 太阳阵的尺寸在不断增大， 而且越来越复杂。 1958 年 3 月 ,美国的 Vanguard1 星上首次安装了太阳电池板进行飞行实验。 那时的太阳电池阵是体装式， 即把太阳能电池直接铺设或安装在航天器本体表面的某些位置上。 对于这类太阳电池阵， 支承太阳电池的结构往往就是卫星的外壳结构， 或者是固定在外壳表面上的结构。 体装式太阳阵分为多面体型与圆柱体型。 体装式的太阳阵较好的实现了航天器在空间对于太阳能的收集，很大程度解决了能源的供给问题， 使卫星寿命明显延长， 但是发电效率较低的问题却仍然没能很好解决， 只能供给功率较小的小型卫星。 为了解决这一问题， 出现了展开式太阳电池阵。 太阳桨是展开式太阳电池阵的初级形式， 往往以单块基板与卫星本体相连。 但是不久之后， 卫星设计提出了大功率太阳电池阵的要求， 它们所提供的功率比太阳浆提供的更大，一种方法是采用定向式或半定向式太阳板（图 1） ，另一种方法是在较大直径的飞行器上采用圆柱形或其他形状的本体安装式太阳电池阵（图 2） 。。图 1 定向太阳阵7 太阳能在航空航天中的应用图 2 自旋卫星的本体安装式太阳电池阵（采用消旋天线）如今，随着航天科技的进一步发展，能量供给能力更强的太阳翼出现了。由于较高的铺设面积及较高的转换效率， 太阳翼一直到现在都仍是航天器所最常用的太阳阵形式。三 . 航天器太阳电池阵的发展现状随着航天科技的不断发展，随着 21 世纪的第一个十年已经走过，航天事业中对于太阳电池阵的需求也日益增加， 为此， 从各种不同的方面寻求突破， 经过多方面的尝试，越来越多新型的太阳电池阵被开发出来。新型的太阳电池阵必然离不开新型的材料。现如今的航天器所采用的电池阵， 多数为单晶硅太阳电池、 单结砷化镓太阳电池以及在单结砷化镓太阳电池基础上发展出的三结砷化镓太阳电池。 而在 06 年的时候， 美空军研究实验室 （ AFRL）研究出了一种采用非晶硅和多晶体铜铟镓硒 （ CIGS） 的薄膜太阳能电池技术。 这种太阳能电池有着柔软和轻质的特点，可以用于厚度只有千分之一英寸（约8 太阳能在航空航天中的应用0.305mm）的聚合物上。 AFRL认为，若将用于空间飞行器的薄膜太阳能电池阵贴在轻质支撑表面， 那么与当前最新的晶体硅多结刚性支撑太阳能电池阵相比， 其成本只有后者的 20%，单位功率比后者高 7 倍，可装载体积比后者高 10 倍，并具有更好的抗辐射能力。而且新型薄膜阵在效费比和产品体积方面都更有优势。另外，在结构上（主要是展开方式） ，航天器太阳电池阵也出现了很多的创新，其中主要有盘压杆式太阳翼、卷式太阳翼、充气展开式太阳翼、桅柱式太阳翼等。 它们的共同目的是在适应航天器本身且不增加负担的条件下更大程度的增大太阳阵的面积， 增大功质比， 已达到更大功率的效果。 另外美国还提出了空间太阳能站的想法。 空间太阳能站是指在空间将太阳能转化为电能， 再通过无线方式传输到地面的电力系统。 NASA于 1995～ 1997 年组织有关专家的研究论证中，择优选取 “ 太阳塔 ” （ Sun Tower)和 “ 太阳盘 ” (Sun Disc) 两种方案，随后又提出新一代的集成对称聚光系统的设计方案。 无论是太阳塔或是太阳能方案都旨在减轻太阳阵质量， 并能对太阳定向。 空间太阳能电池阵的特点是大型化、 模块化、轻量化和长寿命。对于未来在这方面的研究，还存在很大的空间去探索与开发。四 . 航天器太阳电池阵的前景与展望太阳电池阵无论在地面还是在航天领域的应用都具有光辉的前景， 这是已经为事实证明了的。 可以预见的是， 在其他能源越来越紧缺， 而核能的应用还无法十分成熟掌握的时候， 太阳电池还将继续为非载人和载人的空间飞行器提供最经济和最安全的电源。 航天器太阳电池阵作为航天器的一部分， 必将随着航天的不断发展的到创新。 当今世界各国对于航天事业的关注力越来越来， 而航天事业的发展也成为各国在军事、 经济上竞争方面， 航天所担任的责任也就越来越大， 对于技术上的要求也必将越来越多。通讯卫星已经把各种资料、信息和新闻传遍世界各地；直接广播卫星已经把广播和电视节目传给地球上的每一个人； 气象卫星时刻为我们提供着最准确的气象资料 …… 已经有数不胜数的例子证明航天事业的发展很大程度上与我们的生活息息相关， 因此作为为航天器提供直接能源的航天器太阳电池阵的发展也极为重要。9 太阳能在航空航天中的应用现在， 各项任务所要求的电池阵仍然秉持着共同的特点就是比现有的太阳阵尺寸更大， 成本质量更低， 以达到降低成本的要求。 怎么更好的适应航天器的特殊任务，对于航天器太阳电池而言，也是今后的努力方向；同时，在其他各项科技蓬勃发展的今天，更多的结合其他先进科技，也是太阳电池阵的必然趋势。五 . 结束语太阳电池阵的发展历程见证了航天器也就是航天事业的发展过程。 电池阵自从被发明及投入应用以来就不断地在经历创新及结构改造， 这代表着航天事业大半个世纪来的飞速发展。 根据航天器的工作条件， 太阳阵需要注入不同的设计理论以满足特定的工作环境， 在种类越来越多的情况下， 如何取得创新与突破则更需要研究人员的思考与努力。实践证明，借鉴其他交叉学科的理论或技术成果，将其进行完善并应用于太阳阵的设计与制造是太阳电池阵创新的有效途径。未来太阳电池阵的发展将向着高功率低质量进行， 如何使其更灵敏与稳定也将是研究的主方向。 若能引入新的科学技术与理论， 将会很大程度促进电池阵向着更大的平台发展， 那样将会为航天器实现更多的功能扫去障碍， 航天事业将会取得更大的进展！10 太阳能在航空航天中的应用参考文献[1] 吴嘉宁 , 阎绍泽 . 航天器太阳电池阵的演变与创新设计 [J]. 机械设计 , 2009[2] 太阳电池阵设计手册 _光电能转换原理及其应用[3] 袁家军等 . 卫星结构设计与分析 [M]. 北京：中国宇航出版社 ,2004 [4] 庄逢甘 , 李明 , 王立 , 董娜 . 未来航天与新能源的战略结合 —— 空间太阳能电站 [J]. 中国航天 , 2008[5] 汉斯 . 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