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1013-1015atom/cm＾2*sAO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