우주선의 태양 전지판

Solar panels on spacecraft
국제우주정거장의 태양전지판 어레이 (2008년 8월 승무원 17명 증원)

태양계 내부에서 운행되는 우주선은 보통 태양으로부터 전기를 얻기 위해 전력 전자제품으로 관리되는 태양광 발전 태양 전지판을 사용한다.목성 궤도 밖에서는 태양 복사가 너무 약해서 현재의 태양 기술과 우주선 질량 한계 내에서 충분한 전력을 생산하지 못하기 때문에 대신 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)가 [1]동력원으로 사용된다.

역사

최초의 실용적인 실리콘 기반의 태양 전지는 1954년 4월에 벨 연구소에 의해 소개되었다.처음에는 약 6%의 효율성을 보였지만, 개선으로 인해 거의 즉시 이 수치가 증가하기 시작했습니다.Bell은 원격 전화 중계기 스테이션에서 전력을 공급하는 시스템으로서의 아이디어에 관심이 있었지만, 이 역할에서는 장치의 비용이 너무 높아 실용적이지 못했습니다.작은 실험 키트와 용도를 제외하고, 세포는 대부분 [2]사용되지 않은 채로 남아 있었다.

이것은 최초의 미국 우주선인 뱅가드 1호 위성의 개발로 바뀌었다.Dr.에 의한 계산Hans Ziegler는 태양 전지를 사용하여 배터리 [3]팩을 충전하는 시스템이 배터리만 사용하는 것보다 훨씬 가벼운 전체 패키지로 필요한 전력을 공급할 수 있다는 것을 증명했습니다.이 위성은 실리콘 태양전지로 10퍼센트 이상의 [4]변환효율을 보였다.

뱅가드 시스템의 성공은 광학 회사인 Spectrolab이 우주 응용 분야를 위해 특별히 설계된 태양 전지의 개발에 착수하도록 영감을 주었습니다.그들은 1958년 파이오니어 1호에서 첫 번째 주요 디자인 우승을 차지했고, 나중에 아폴로 11호의 ALSEP 패키지로 달에 가는 첫 번째 세포가 될 것이다.위성의 크기와 위력이 커짐에 따라 스펙트로랩은 훨씬 더 강력한 세포를 도입할 방법을 찾기 시작했다.이를 통해 1970년대 실리콘 셀의 효율성을 약 12%에서 현재의 비화 갈륨(GaAs) 셀의 약 30%로 높인 다접합 셀의 개발을 선도했다.이러한 종류의 세포들은 현재 거의 모든 태양 에너지 [5]우주선들에 사용되고 있다.

사용하다

SMM 위성의 태양 전지판은 전력을 공급했다.유인기동부대를 이용해 우주인이 포착한 사진입니다.

우주선의 태양 전지판은 주로 두 가지 용도로 전력을 공급합니다.

  • 센서, 능동 난방, 냉각 및 원격 측정을 실행할 수 있는 전원.
  • 전기로 움직이는 우주선 추진력, 때로는 전기 추진력 또는 태양 전기 [6]추진력이라고 불립니다.

두 가지 용도 모두에서 태양 전지판의 주요 장점은 특정 전력(와트를 태양 전지 질량으로 나눈 값)이며, 이는 상대적인 기준에서 한 어레이가 다른 어레이에 대해 주어진 발사 질량에 대해 얼마나 많은 전력을 발생시키는지 나타낸다.또 다른 주요 지표는 저장 패킹 효율성(전개된 와트를 저장 볼륨으로 나눈 값)입니다. 이는 어레이가 얼마나 쉽게 발사체에 장착될 수 있는지를 나타냅니다.또 다른 중요한 지표는 비용(와트당 [7]달러)입니다.

특정 전력을 증가시키기 위해, 우주선의 일반적인 태양 전지 패널은 태양 전지 패널의 태양 가시 영역의 거의 100%를 덮는 밀착형 태양 전지 직사각형을 사용합니다. 태양 웨이퍼 원은 밀착형이지만 태양 가시 영역의 약 90%를 덮습니다.하지만, 우주선의 일부 태양 전지판에는 태양 가시 [6]영역의 30%만 덮는 태양 전지가 있다.

실행

James Web Space Telescope의 우주선 버스 다이어그램. 태양 전지판으로 구동됩니다(이 그림은 3/4 뷰에서 녹색으로 표시).짧은 연보라색 익스텐션은 태양광 [8]패널이 아닌 라디에이터 음영입니다.

태양 전지판은 우주선이 움직일 때 태양을 가리킬 수 있는 많은 표면적을 가져야 한다.노출된 표면적이 더 많다는 것은 태양으로부터의 빛 에너지로부터 더 많은 전기를 변환할 수 있다는 것을 의미합니다.우주선은 작아야 하기 때문에,[1] 이것은 생산될 수 있는 힘의 양을 제한한다.

모든 전기 회로는 폐열을 발생시킵니다.또한 태양광 어레이는 광학적, 열적 및 전기 수집기 역할을 합니다.열은 표면에서 방출되어야 합니다.고출력 우주선은 열방산을 위해 액티브 페이로드 자체와 경쟁하는 태양전지 어레이를 가질 수 있다.배열의 가장 안쪽 패널은 공간에 대한 뷰 오버랩을 줄이기 위해 "빈칸"일 수 있습니다.이러한 우주선에는 고출력 통신 위성(예: 차세대 TDRS)과 비너스 익스프레스가 포함되며, 고출력 통신 위성보다는 태양에 [citation needed]더 가깝다.

우주선은 우주선이 움직이면서 태양 전지판을 회전시킬 수 있도록 만들어졌다.따라서, 그들은 우주선이 어떻게 가리켜지든 상관없이 항상 광선의 직접적인 경로에 머무를 수 있다.우주선 본체의 나머지 부분이 움직이더라도 탱크가 어디로 가는지와 상관없이 탱크 포탑을 조준할 수 있기 때문에, 우주선은 보통 항상 태양을 향할 수 있는 태양 전지판으로 설계된다.추적 메커니즘은 태양 어레이가 [1]태양 쪽을 향하도록 하기 위해 종종 태양 어레이에 통합됩니다.

때때로 위성 운영자들은 태양 전지판을 의도적으로 "오프 포인트"에 맞추거나 태양으로부터 직접 정렬되지 않은 위치에 놓는다.이는 배터리가 완전히 충전되어 필요한 전기량이 만들어진 전기량보다 적을 때 발생합니다. 오프포인팅은 궤도 [citation needed]항력을 줄이기 위해 국제우주정거장에서 사용되기도 합니다.

이온화 방사선 문제 및 완화

주노는 목성 궤도를 도는 두 번째 우주선이자 그렇게 하는 첫 번째 태양 에너지 우주선이다.

우주에는 다양한 수준의 전자파 방사선과 이온화 방사선이 포함되어 있습니다.방사에는 4개의 광원이 있다: 지구의 방사선 벨트, 은하 우주선, 태양풍 그리고 태양 플레어.반 앨런 벨트와 태양풍은 대부분 양성자와 전자를 포함하고 있으며, GCR은 대부분 매우 높은 에너지의 양성자, 알파 입자, 무거운 [9]이온을 포함하고 있습니다.태양 전지판은 이러한 종류의 방사선의 결과로 시간이 지남에 따라 효율 저하를 경험하지만, 열화율은 태양 전지 기술과 우주선의 위치에 따라 크게 달라질 것이다.붕규산염 유리 패널 피복의 경우 연간 5~10%의 효율 손실이 발생할 수 있습니다.퓨전 실리카 및 납 유리 등 다른 유리 피복재는 이 효율 손실을 연간 1% 미만으로 줄일 수 있습니다.분해율은 차분 플럭스 스펙트럼과 총 이온화 선량의 함수이다.

일반적으로 사용되는 태양 전지의 종류

1990년대 초까지 우주에서 사용되는 태양 전지들은 주로 결정성 실리콘 태양 전지를 사용했다.1990년대 초부터 갈륨 비화물 기반 태양전지는 우주 방사선 환경에서 실리콘보다 효율이 높고 열화가 더 느리기 때문에 실리콘보다 선호되었다.현재 생산되고 있는 가장 효율적인 태양전지는 현재 다접합 광전지다.이것들은 태양 스펙트럼에서 더 많은 에너지를 얻기 위해 인듐 갈륨, 비화 갈륨, 게르마늄의 여러 층의 조합을 사용합니다.선단 다접합 셀은 비농축 AM1.5G 조명에서는 39.2%, 집중 AM1.5G [10]조명에서는 47.1%를 초과할 수 있습니다.

태양광을 이용한 우주선

태양 전지판은 스카이랩 우주정거장의 태양 관측기 아폴로 망원경 마운트에서 뻗어 나왔으며, 주 우주선에 추가적인 배열이 있었다.

지금까지, 추진력을 제외한 태양 에너지는 목성의 궤도보다 태양에서 멀지 않은 곳에서 작동하는 우주선에 실용적이었다.예를 들어, 주노, 마젤란, 화성 지구 탐사선, 화성 관측자는 지구를 도는 허블 우주 망원경처럼 태양 에너지를 사용했다.2004년 3월 2일 발사된 로제타 우주탐사선은 64평방미터(690평방피트)의 태양전지판을[11] 목성 궤도(5.25AU)까지 사용했다.이전에는 2AU에 있는 스타더스트 우주선이 사용됐다.추진을 위한 태양전력은 홀 [citation needed]효과의 추진력을 가진 유럽 달 탐사선 SMART-1에도 사용되었다.

2011년 발사된 주노 미션은 기존 태양계 임무에서 사용되던 기존 RTG 대신 태양 전지판을 사용하는 첫 번째 목성 임무(2016년 7월 4일 목성 도착)로,[12][13] 지금까지 태양 전지판을 사용한 우주선 중 가장 먼 곳이다.72평방미터(780평방피트)의 [14]패널이 있습니다.

현재 화성에서 운용 중인 인사이트 착륙선, 인제니티 헬리콥터, 톈원 1호 궤도선, 주룽 탐사선 등도 모두 태양 전지판을 사용한다.

또 다른 관심의 우주선은 2011년 4 베스타 주변의 궤도에 진입한 던이었다.이온추력기를 이용해서 [citation needed]세레스에 도착했어요

목성을 넘어서는 태양 에너지로 움직이는 우주선의 잠재력이 [15]연구되었다.

국제우주정거장은 또한 우주정거장에 있는 모든 것에 전력을 공급하기 위해 태양열 어레이를 사용한다.262,400개의 태양 전지는 약 27,000 평방 피트 (2,5002 미터)의 공간을 차지한다.발전소에 전력을 공급하는 태양광 어레이는 4세트가 있으며, 4세트는 2009년 3월에 설치되었다.이들 태양광 어레이로 240킬로와트의 전력을 생산할 수 있다.이는 평균 시스템 전력 120kW에 달하며,[16] 여기에는 ISS 시간의 50%가 포함됩니다.

플렉시블 솔라 어레이는 우주에서의 사용을 위해 조사되고 있다.롤 아웃 솔라 어레이(ROSA)는 2017년 7월에 국제 우주 정거장에 배치되었다.

장래의 용도

향후의 미션에서는, 태양 어레이의 질량을 삭감해, 단위 면적 당의 발전 전력을 늘리는 것이 바람직하다.이것은 전체적인 우주선 질량을 줄일 것이고, 태양으로부터 더 먼 거리에서 태양으로 움직이는 우주선의 작동을 가능하게 할 것이다.태양 전지 질량은 박막 광전지, 유연한 담요 기판 및 복합 지지 구조로 줄일 수 있다.태양광 어레이 효율은 새로운 태양광 전지 재료와 입사 태양광을 강화하는 태양광 집광기를 사용함으로써 향상될 수 있다.1차 우주선 전력용 태양광 집광기 태양광 어레이는 태양광 발전의 햇빛을 강하게 하는 장치이다.이 디자인은 플레넬 렌즈라고 불리는 평평한 렌즈를 사용하는데, 이것은 태양 전지의 작은 면적이 사용될 수 있도록 하기 위해 넓은 면적의 햇빛을 받아 그것을 더 작은 곳에 집중시킨다.

태양열 집광기는 모든 태양 전지 위에 이 렌즈들 중 하나를 놓습니다.이것은 큰 집광기 영역에서 작은 셀 영역으로 빛을 집중시킵니다.이것은 고가의 태양 전지의 양을 농도만큼 줄일 수 있게 해준다.집광기는 단일 광원이 있고 집광기가 바로 그 광원을 가리킬 수 있을 때 가장 잘 작동합니다.이것은 태양이 단일 광원인 우주에서 이상적입니다.태양전지는 태양전지열에서 가장 비싼 부분이고, 태양전지열은 종종 우주선의 매우 비싼 부분이다.이 기술을 사용하면 재료 [17]사용률이 낮아져 비용을 대폭 절감할 수 있습니다.

갤러리

「 」를 참조해 주세요.

Wikimedia Commons는 우주선 솔라 패널 관련 매체를 보유하고 있다.

레퍼런스

  1. ^ a b c NASA JPL 간행물:우주 비행의 기본, 11장.일반적인 온보드 시스템, 전원 및 배전 서브시스템,"Archived copy". Archived from the original on 2008-05-18. Retrieved 2008-07-04.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  2. ^ "April 25, 1954: Bell Labs Demonstrates the First Practical Silicon Solar Cell". APS News. April 2009.
  3. ^ Perlin, John (2005). "Late 1950s – Saved by the Space Race". SOLAR EVOLUTION – The History of Solar Energy. The Rahus Institute. Retrieved 2007-02-25.
  4. ^ Solar cells and their applications. Fraas, Lewis M., Partain, L. D. (2nd ed.). Hoboken, N.J.: Wiley. 2010. ISBN 978-0-470-63688-6. OCLC 665868982.{{cite book}}: CS1 유지보수: 기타 (링크)
  5. ^ "Company History". Spectrolab.
  6. ^ a b NASA JPL 간행물:우주 비행의 기본, 11장.표준 온보드 시스템, 추진 서브시스템, [1] 2006-12-08년 Wayback Machine에서 아카이브 완료
  7. ^ Hoffman, David (July 2000). "Thin Film Solar Array Parametric Assessment". AIAA. AIAA-2000-2919.
  8. ^ JWST 선실드 및 우주선 J. Arenberg, J. Flynn, A의 상태.Cohen, R. Lynch 및 J. Cooper
  9. ^ Xapsos, Michael A. (2006). "Modeling the Space Radiation Environment". 2006 IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference (NSREC).
  10. ^ 태양전지 효율
  11. ^ "Rosetta's frequently asked questions". ESA. Retrieved 2 December 2016.
  12. ^ NASA의 New Frontiers 웹사이트의 Juno 미션 페이지 2007-02-03 Wayback Machine에 보관되어 있습니다.2007-08-31 취득.
  13. ^ 제트 추진 연구소: NASA의 주노 우주선이 태양 에너지 거리 기록을 깼다.2016년 1월 13일2016년 7월 12일 취득.
  14. ^ Mitrica, Dragos (18 January 2016). "NASA's solar-powered Juno shuttle breaks record distance at 793 million km from the Sun". ZME Science. Retrieved 2 December 2016.
  15. ^ 스콧 W.벤슨 – 외부 행성을 위한 태양 에너지 연구 (2007) – NASA 글렌 연구 센터
  16. ^ Garcia, Mark (2017-07-31). "About the Space Station Solar Arrays". NASA. Retrieved 2017-12-06.
  17. ^ NASA. "Concentrators Enhance Solar Power Systems". Retrieved 14 June 2014.
  18. ^ "Dawn Solar Arrays". Dutch Space. 2007. Retrieved July 18, 2011.