【太阳电池阵的发展现状及趋势概述2400字】

太阳电池阵的发展现状及趋势概述众所周知，空间太阳电池要想为随航天器送入太空提供源源不断的电能，就必须有一个载体，那就是空间太阳电池阵。而空间太阳电池阵的结构与形式与本课题所用柔性太阳电池有关。所以为了进一步阐述该课题的意义，则需要了解目前空间太阳电池阵的种类，才能确定合适的太阳电池的封装方式。因此有必要介绍一下太阳电池阵的发展现状及趋势。目前空间太阳电池阵按基板类型．可分为刚性太阳电池阵、半刚性太阳电池阵以及柔性太阳电池阵。刚性太阳电池阵由刚性基板和刚性太阳电池组成，采用铝蜂窝夹层结构基板作为承载结构，基板厚度为20-30mm，表面贴装太阳电池。目前，国内外通信、导航、遥感等领域的大多数航天器均使用了这种技术成熟、可靠性高的太阳电池阵技术REF_Ref74109461\r\h[6]。但是对于整个系统来说，刚性太阳电池阵的基板及展开机构等机械部分在太阳翼的质量占比超过50％，同时，由于铝蜂窝基板较厚并且在收拢状态下太阳电池板之间需要留有20mm左右的安全间距，收纳体积较大[7]。因此，刚性太阳电池阵的质量比功率和体积比功率相对较低。通常可以通过减少基板厚度及间距、优化收拢结构等方式来实现减轻太阳翼质量、减少发射收拢体积的目标，但指标提升幅度较为有限。半刚性太阳电池阵利用高强度框架和纤维网格作为基板，将太阳电池封装成为电池模块后与基板进行安装连接，安装固定方式主要包括两种[8]：一种是通过电池模块背部安装的固定钉将其钩挂在网格基板上；另一种方式是通过安装在电池模块背部的带有凹槽的固定扣将电池模块与基板的网格粘接在一起。俄罗斯的卫星多采用半刚性太阳电池阵，例如“和平号”空间站（Mir）、天空实验室（Skylab）等，我国的天宫目标飞行器以及东五平台卫星采用的也是半刚性太阳电池阵技术。半刚性太阳电池阵由于基板的网格结构特点，电池背面无刚性基板覆盖，散热性能更好。电池在轨工作时温度更低，输出功率更高。半刚性基板通常采用碳纤维材料框架，相对较轻，质量比功率较刚性太阳阵提高10-20%左右，但体积比功率和刚性阵大致相同[9]。另外，半刚性太阳阵背面为网格结构，可以采用双面太阳电池来充分利用地球对太阳的反射光发电，提高太阳阵单位面积的输出功率。柔性太阳电池阵是采用复合薄膜结构作为基板，与刚性、半刚性太阳阵在收拢状态下基板之间需留有间距不同，柔性阵在收拢状态下，每块基板均处于贴合压紧状态，对于大面积太阳阵来说，其收拢体积可以减少至刚性阵的十分之一左右。根据收拢展开方式不同，柔性太阳电池阵主要包括三种形式，分别是“Z”型折叠式、扇形展开式以及卷绕展开式[10]。“Z”型折叠式柔性太阳翼是柔性太阳翼最常用的结构形式，其由太阳电池、聚酰亚胺薄膜基板及伸展机构组成，基板以“Z”型折叠的方式收拢在一起，人轨后在展开机构带动下顺序展开。例如由美国和俄罗斯等16个国家联合建造的国际空间站(InternationalSpaceStation)太阳电池阵，如图3所示。以及洛马公司在2017年开发的新型的多用途模块化柔性太阳电池阵——LM2100卫星平台太阳电池阵[11]，如图4所示。该柔性太阳翼相比其前代产品A2100，功率可增大50%，而重量可降低30%。图1.3ISS太阳电池阵（左）和LM2100太阳电池阵（右）Fig.1.3ISSSolarArray(left)andLM2100SolarArray(right)圆形展开式太阳电池阵也是柔性阵的一种，其因展开后形成接近于圆形的多边形而得名，该结构特点使得太阳电池阵在展开刚度/强度、收拢体积比功率等方面具有明显优势[12]。该技术适用于不同地球轨道飞行器，其高收纳比的特性使其在深空探测等航天任务中有较为明显的技术优势，例如“天鹅座”空间站补给飞船，如图1.4所示。图1.4“天鹅座”飞船UltraFlex太阳翼在轨飞行状态Fig.1.4TheCygnusspacecraft'sUltraflexsolarwingisinorbit卷绕展开式柔性太阳电池阵(roll—outsolararray，ROSA)是近几年发展起来的一种新型柔性太阳电池阵技术[13]，未展开时如图卷轴一般。这种方式的太阳阵具有高质量比功率、高收纳比、可卷绕等特点。相比于传统的输出功率为15kW的刚性太阳电池阵，ROSA在输出功率不变的情况下，整机质量可减轻33％，而体积可以减少75％[14]。目前应用案例：2017年6月3日，美国在猎鹰9号发射中搭载了一套ROSA太阳翼验证产品，并于同月进行了在轨展开及性能验证，该太阳翼在机械臂辅助下展开状态照片，如图1.5所示。图1.5ROSA在轨展开照片Fig.1.5Theon-orbitimageofRosa随着航天器相关技术的不断发展及应用，航天器自身的有效载荷也在随之不断增加,导致航天器对太阳电池阵的输出功率有着更高的要求。而太阳电池阵输出功率的进一步提高，一方面受制于太阳阵所用电池本身的光电转换效率，另一方面也要求太阳电池阵拥有更大的展开面积。前者受限于太阳单体电池技术的变革,而后者可以通过改变太阳电池阵的组成和结构来实现。从太阳电池阵组成结构的角度看，传统的刚性太阳电池阵，其收拢状态的包络尺寸、整翼质量与展开面积近似成正比。这意味着如果想通过增加太阳电池阵的展开面积方式，谋求更大的输出功率，必将导致其收拢尺寸和质量的增加，这对于未来运行在在地球同步轨道（GEO）的大型航天器将难以承受。为了解决这个问题，柔性太阳电池阵应运而生。在同等供电能力的前提下，柔性太阳翼相比于传统大功率刚性太阳翼，其重量可以降低至刚性太阳翼的80%左右，而体积可以降低至刚性太阳翼的20%左右[15]。因此，对于功率需求巨大的航天器来说，柔性太阳电池阵是其必然选择。综上所述，刚性、半刚性太阳电池阵由于其技术成熟、成本相对较低，可满足现阶段不同航天器应用需求。对于功率需求更高的航天器来说，在高效太阳电池及多维展开技术支持下，在满足发射包络条件时，可有效增大太阳电池阵面积，提高输出功率。因此，刚性、半刚性等传统太阳电池阵仍将是未来几年内航天工程中广泛应用的太阳电池阵技术之一。柔性太阳电池阵具有收拢体积小、质量轻、可重复展收