衛星に適した宇宙用太陽電池を選択することが重要です。効率、耐久性、重量、サイズを考慮する必要があります。厳しい宇宙条件では、セルの種類ごとに動作が異なります。多接合セルの効率は 32% に達するようになりました。フレキシブル太陽電池の効率は最大 22.7% に達します。太陽電池の新しい設計は寿命が長くなり、放射線の処理が改善されます。あなたの使命と宇宙のどこに行くかが決定に役立ちます。
| メーカー / 開発者 | 太陽電池の種類 | BOL 効率 (%) | 耐久性および使用上の注意 |
|---|---|---|---|
| スペクトロラボ USA | XTJシリーズ | 29.5～32.2 | 小型宇宙船に使用される高効率 |
| Immα (AFRL & SolAero) | 変成多分岐点 | 32.0 | 軽量で柔軟性があり、2018 年から LEO で飛行 |
| オクラホマ大学 | フレキシブルなCIGS薄膜 | 22.7まで | 軽量ながら深宇宙への可能性 |
まず、衛星に必要な電力量を計算します。すべてのシステムの電力を合計します。これは、ソーラーパネルに適切なサイズを選択するのに役立ちます。
選ぶ 太陽電池を調べます。 ミッションの長さを見て衛星がどこへ行くのか、どのくらいの電力が必要なのかを考えてみましょう。細胞の働き、重さ、持続時間のバランスを取るようにしてください。
時間の経過とともに電力が低下する可能性があることに注意してください。これは放射線や温度変化によって起こります。衛星に常に十分な電力が供給されるように、この計画を立ててください。
使用 軽く て非常によく機能する太陽電池。多接合または薄膜タイプが良い選択です。これらはスペースを節約し、打ち上げコストの削減に役立ちます。
ソーラーパネルが衛星内に収まるようにしてください。正しい方法で接続されていることを確認してください。これは、打ち上げ中および衛星の動作中に問題を防ぐのに役立ちます。
まず、衛星がどれだけの電力を使用しているかを知る必要があります。コンピューターやセンサーなどのあらゆる部品により、必要な総電力が増加します。衛星には 数百ワット、場合によっては数千ワットです。以下に、さまざまなミッションで使用される電力を示す表を示します。
| 宇宙船 / ミッション タイプ | 一般的な電力要件 (W) | 注 |
|---|---|---|
| 一般的な惑星間宇宙船 | 300～2500 | コンピュータ、送信機、機器、センサーなどに供給する電力。 |
| カッシーニ | ~1000 | 使用された放射性同位元素の電力ですが、電力の数値は目安です |
| 地球周回衛星 (例: ハッブル) | 数百から数千未満 | 太陽光発電を積極的に活用する |
| 火星探査機 (例: Mars Global Surveyor、Mars Pathfinder) | 数百から数千未満 | 太陽光発電を使用するように設計されています |
すべてのシステムの電力を合計します。これはあなたに役立ちます 適切なサイズを選択してください。 太陽電池アレイに
衛星がどれだけ長く動作するかによって、電源プランが変わります。衛星によっては数か月かかるものもあれば、数年かかるものもあります。電力システムが時間の経過とともにどのように動作するかを監視する必要があります。例えば、 BIRDS グループの CubeSats は、ソーラー パネルとバッテリーを 2 年以上にわたってチェックしました。彼らは電圧、電流、温度を測定しました。これらの数値は、衛星が古くなると電力がどのように変化するかを示しています。これを使用してバッテリーの充電を計画し、衛星が全飛行に十分な電力を確保できるようにすることができます。
ヒント: 衛星の電力需要が変化するかどうかを常に確認してください。一部の部品は、古くなったり、ミッションが変化したりすると、より多くの電力を使用する場合があります。
宇宙によって太陽電池の動作が異なる可能性があります。温度、放射線、粉塵などについて考慮する必要があります。これらにより、太陽電池の出力が低下する可能性があります。これがその方法を示す表です 宇宙のさまざまなものが太陽電池の性能を変える可能性がある:
| 環境要因が | 太陽電池の性能に与える定量的な影響 |
|---|---|
| 風速 (2.8-10 m/s) | モジュール温度を 3.5 ～ 10 °C 下げ、冷却を促進します |
| 降雪 | エネルギー出力を最大 90% 削減可能 |
| ひょう嵐 | 10% ～ 30% の効率損失を引き起こす |
| 砂嵐 | 数分以内に PV 効率を 20% 低下させる |
| 日射量偏差 | 1 度の偏差により生産量が 0.08% 減少します |
| 複合的な環境要因 | 最大 60% ～ 70% のパフォーマンス損失 |
| 風による冷却 | 出力を 14.25% 向上させることができます |
| 積雪 | 年間最大 12% のエネルギー損失が発生します |
これらの変更に備えて計画を立てる必要があります。そうすれば、宇宙が困難になった場合でも、衛星は動作し続けます。
すべての部品を衛星内に取り付ける必要があります。衛星内のスペースは非常に限られています。 ソーラー パネル、バッテリー、電子機器は適切に接続されている必要があります。構築する前に、各パーツをどこに配置するかを計画します。これにより、物を追加または移動するときに問題が発生しなくなります。キューブサットのソーラー パネルの多くは、スペースを節約するために折りたたむかスライドさせます。電源システムは衛星の他の部分に接続する必要があります。適切な計画を立てれば、打ち上げ中や宇宙空間ですべてが安全に保たれます。
ヒント: 衛星の簡単な絵を描いてください。各パーツがどこにあるかを示します。これは、すべての部品が適合しているかどうかを確認するのに役立ちます。
衛星にとって重量は大きな問題です。打ち上げにかかるコストは、その重さによって決まります。ほとんどの衛星はアルミニウム合金などの軽い素材を使用しています。これらは衛星の重量の約 40% に達する可能性があります。衛星の光を保つ部品や素材を選びましょう。ものもあります。 ソーラーパネルs テルル化リチウムやテルル化カドミウムなどの希少材料を使用するこれらは見つけるのが難しく、環境に悪影響を与える可能性があります。キューブサット ソーラー パネルを設計するときは、これらの制限に留意してください。パワー、サイズ、重量のバランスを取るために早めに計画を立ててください。超小型衛星の場合、 電力を計画し、最初から熱と電磁気の安全性を確認します。慎重に計画すると、衛星が狭いスペースでも適切に動作するようになります。
衛星は宇宙空間を移動し、形を変えます。これにより、電力システムの仕組みが変わります。エンジニアは、車体とソーラーパネルがどのように連動して動くかを研究しています。彼らは数学モデルを使用してこれらの動きを推測します。専門家が動的動作をテストして改善する方法は次のとおりです。
彼らは使用します 数学を安定させるための時間積分器.
彼らは衛星と太陽翼がどのように動くかを調べます。
彼らは 実空間データをモデルと比較する.
電力システムが問題や軌道の変化にどのように反応するかをテストします。
これらの手順は、衛星を安定して安全に保つのに役立ちます。動的研究が適切に行われているということは、宇宙で新しいことが起こった場合でも、電力システムが適切に機能することを意味します。
多接合セルに は、より多くの太陽光を受け取る層があります。これらのセルは多くの新しい衛星で使用されています。それらは多くのパワーを与えますが、重さはそれほどありません。エンジニアは、宇宙の太陽光のような AM0 スペクトルを使用してそれらをテストします。研究室では、これらのセルは強い光の下で 46% 以上の効率を発揮します。実際のミッションでは、効率は約 30% です。また、放射線や非常に高温または低温の環境でもうまく機能します。以下の表には、いくつかの重要な事実が含まれています:
| メトリック / パラメーター | 値 / 説明 |
|---|---|
| ラボの効率（集中） | 46%以上 |
| スペース効率（1太陽） | 約30％ |
| 耐放射線性 | 高い |
| パワーウェイトレシオ | 衛星に最適 |
注: マルチジャンクション 宇宙用太陽電池は、 最小の面積で最大の電力を供給します。
ガリウムヒ素電池は放射線に強いため、宇宙での使用に適しています。非常に薄い GaAs セルは 20 年以上発電できます。厳しい軌道でも機能します。これらのセルは保護の必要性が少ないため、衛星が軽量になります。一部の特殊な GaAs セルは、 効率 34.2% 。 スペース多くのパワーと長寿命を必要とするミッションに使用できます。
シリコンセルは多く使用されており、非常に信頼性があります。単結晶または多結晶のタイプを選択できます。単結晶シリコン電池は最大 26.8% の効率があり、最長 40 年間持続します。多結晶セルはコストは安くなりますが、機能はそれほど高くありません。ほとんどのミッションではもう使用されません。研究によると、シリコン電池は毎年わずかな電力しか失われません。たとえば、ただ負ける人もいます。 年間0.18%～0.29% 。このゆっくりとした損失により、テスト済みで信頼できるものが必要な場合、シリコンは長期ミッション用の賢い選択となります。
| 太陽電池の種類 | 効率 (%) | 寿命 (年) | 主な利点 | 主な欠点 |
|---|---|---|---|---|
| 単結晶シリコン | 18～26.8 | 30～40 | 高効率 | コストが高い |
| 多結晶シリコン | 15～21 | 25～30 | 低コスト | 効率の低下、製造中止 |
薄膜太陽電池は軽くて曲げることができます。曲面や折り曲げ面にも貼れます。 CIGS 薄膜セルは最大で 効率24.6% 。これらのセルは他の種類のセルよりもコストが低く、重量も軽いです。テストでは、薄膜電池は、高温と低温のサイクルを何度も繰り返した後でも、効率の低下が 5% 未満であることが示されています。エンジニアは特別なテストを使用して、これらの細胞が宇宙でどのように機能するかを確認します。薄膜セルは重量を軽減し、小型衛星に適合させるのに役立ちます。
| 太陽電池の種類 | 効率 (%) | 主な特徴 | コストと使用例 |
|---|---|---|---|
| CuAlO2 BSF層を備えたCIGS | 24.61 | 軽量、柔軟性、高QE | 低コスト、柔軟な用途 |
| 薄膜（一般） | 10～23.6 | 柔軟性があり、効率は低い | 最も安価な |
ヒント: 薄膜宇宙太陽電池は、軽量さと柔軟性が必要な場合に最適です。
始めるとき 衛星用の太陽電池を選択する場合 は、効率と出力に焦点を当てる必要があります。効率は、セルがどれだけの太陽光を電気に変換できるかを示します。高効率セルは、同じ面積からより多くの電力を生成します。これは、より小さなパネルを使用して重量を節約できることを意味します。セルは時間の経過とともにある程度の電力を失うため、ミッションの開始時と終了時に常に効率をチェックする必要があります。
太陽電池アレイのサイズを設定するには、次の手順に従います。
衛星がミッション終了時にどれだけの電力を必要とするかを調べます。
使用したい宇宙用太陽電池の種類を選択し、その効率に注目してください。
衛星がその軌道上で受ける太陽光の量を計算します。
ツールまたは計算式を使用して、必要なソーラー パネルの面積を計算します。たとえば、衛星がミッション終了時に 50 W を必要とし、セルの効率が 30% である場合、次の式を使用できます。
必要な面積 = ミッション終了時の電力 / (太陽放射照度 × 効率 × 劣化係数)
可能であれば、実際のミッション データを使用して計算を確認してください。多くのエンジニアは、シミュレーションを使用してさまざまな細胞タイプを比較し、最適なものを見つけます。
ヒント: 多接合 GaAs 太陽電池は、多くの場合、宇宙での効率と信頼性に関して最良の結果をもたらします。
宇宙は太陽電池にとって厳しい環境です。放射線、温度変動、長時間のミッションはすべて、セルの電力損失を引き起こします。太陽電池を選択するときは、太陽電池がどれくらい早く劣化するかを考慮する必要があります。一部のセルはゆっくりと電力を失いますが、他のセルは 劣化が早くなります。パネルが時間の経過とともにどれだけの電流を流すかを追跡するモデルを使用できます。これらのモデルは、軌道上で数か月または数年後にどのくらいの電力が残っているかを確認するのに役立ちます。
科学者は実際のデータと数学モデルの両方を使用して、細胞の寿命を予測します。たとえば、次のような式を使用できます。
Pm/Pm0 = 1 - C * ln(1 + φ/φ0)
ここで、Pm は特定の時点での電力、Pm0 は開始電力、C と φ0 はセルの種類と宇宙環境の定数です。これは、ミッションの終了を計画し、衛星に常に十分な電力が供給されていることを確認するのに役立ちます。
注: 次の方法で軌道上の劣化を監視できます。 パネルからの電流をチェックします。これにより、細胞の状態に関するリアルタイムのフィードバックが得られます。
比電力とは、ソーラーパネル1キログラム当たりどれだけの電力が得られるかを意味します。これは、厳密な質量制限がある場合に非常に重要です。 2D MoS2 アレイなどの一部の新しい太陽電池タイプでは、1 キログラムあたり 6,000 W 以上の電力を供給できます。標準的なシリコン パネルの出力ははるかに低く、1 キログラムあたり約 26 W です。選択を行う前に、さまざまなオプションの具体的なパワーを常に比較する必要があります。
| パフォーマンスメトリクス | 2D MoS2 PV アレイ | Si PERC パネル |
|---|---|---|
| 比出力 (W/kg) | 6697.74 | 26.02 |
| ワットあたりのコスト ($/W) | 12.64 | 104.83 |
| 面積あたりのコスト ($/m²) | 863.14 | 21,238.94 |
| 面積あたりの重量 (kg/m²) | 0.0105 | 10.64 |
高い出力重量比により、打ち上げコストを節約し、他のシステムに大量の予算をより多く使用できます。
また、打ち上げ前に、ソーラーパネルが衛星内にどの程度うまく収まるかについても考慮する必要があります。収納時の梱包効率は、折り畳んだり保管したときに必要なスペースと比較して、展開後にパネルがどれだけの電力を生成できるかを示します。最良の結果を得るには、次のことを行う必要があります。
収納されたボリュームごとに展開されたワット数を確認します。
しっかりと折り畳むか丸めることができるパネルを選択してください。
展開システムが宇宙でスムーズに動作することを確認してください。
太陽電池アレイのサイズを決定するときは、セル効率、太陽光の角度、および経時劣化の影響を考慮することを忘れないでください。たとえば、衛星が 2.5 W を必要とし、セルの効率が 25% の場合、地球から離れた場所にある太陽光を利用してパネルのサイズを決定できます。放射線や温度変化による損失をカバーするために、常に追加のエリアを計画してください。
ヒント: 収納時の梱包効率が最も高くなるのは、狭いスペースに収まり、広い領域に広げることができる薄くて柔軟なパネルからです。
太陽電池の選択には常にトレードオフが伴います。効率、耐久性、コスト、質量のバランスを取る必要があります。高効率セルはコストは高くなりますが、スペースと重量は節約されます。一部のセルは長持ちしますが、より重かったり高価である場合があります。ミッション期間と宇宙環境に合わせて選択する必要があります。短いミッションの場合は、寿命が短く、安価なセルを選択することもできます。長期間のミッションでは、放射線に耐え、何年も動作し続ける宇宙グレードの太陽電池が必要です。
覚えておいてください: 太陽電池の種類は、ミッションのニーズと衛星が直面する環境に常に一致させてください。これにより、打ち上げからミッション終了まで信頼性の高い出力が保証されます。
ソーラーパネルが衛星の電力システムに適合していることを確認する必要があります。各部の電圧と電流を確認してください。システムのニーズに一致するコネクタを使用してください。接続が一致しない場合、電力が失われたり、物が壊れたりする可能性があります。これは大きな問題です 航空宇宙衛星アプリケーション。起動する前に必ずシステムをテストしてください。これは、衛星が宇宙に行く前に問題を防ぐのに役立ちます。
パネルの取り付けは、航空宇宙衛星用途では非常に重要です。パネルは打ち上げ中も宇宙でも所定の位置に留まるようにしたいと考えています。エンジニアは 7075 アルミニウム合金や TC4 チタン合金などの強力な金属を使用します。ボルトまたは TIE 拘束を使用してパーツを固定します。彼らはコンピューター モデルを使用して、パネルが応力にどのように対処するかを確認します。 以下の表は、パネルを取り付ける一般的な方法を示しています。
| 機械的な取り付け方法 側面 | 説明 |
|---|---|
| アプリケーションコンテキスト | 軌道上衝突時の宇宙空間での大きな荷物のためのドッキング機構 |
| 数値的手法 | ビーム、シェル、ソリッド要素を使用した有限要素モデリング |
| 接続タイプ | ボルト締結または TIE 拘束 |
| 機械的校正 | アキシアル衝撃荷重とラジアル衝撃荷重を組み合わせた場合の校正 |
| 負荷条件 | 力とモーメントの解析によるアキシャルおよびラジアルドッキング |
| 使用材料 | 7075アルミニウム合金、TC4チタン合金 |
| 主な調査結果 | ラジアルドッキングにより、平均力とトルクが大きくなります。軸方向のドッキングにより、一部のコンポーネントの平均トルクが大きくなります |
これらの方法は、パネルを安全に保ち、航空宇宙衛星用途に並べるのに役立ちます。
宇宙は非常に暑い場合もあれば、非常に寒い場合もあります。衛星ソーラーパネルの熱を制御する必要があります。重要な部品から熱を逃がすために、サーマルコーティングまたはヒートパイプを使用してください。熱を制御しないと、パネルが電力を失ったり、損傷したりする可能性があります。これは、航空宇宙衛星アプリケーションにおける問題です。設計を必ず加熱テストでテストしてください。これにより、パネルがスペース内で適切に機能するようになります。
打ち上げ時にスペースを節約するために、折りたためるソーラー パネルを使用する場合があります。これらのパネルは、軌道上で開くかスライドして外れます。航空宇宙衛星用途では、パネルが正しく開くことが重要です。エンジニアはコンピューター ビジョンと機械学習を使用して、パネルがうまく開くかどうかを監視し、予測します。いくつかの結果を次に示します。
コンピューター ビジョン モデルにより、ソーラー パネルが発見されました。 650,000 枚を超える高精度の衛星写真.
機械学習モデルは、パネルが正しく開くか間違って開く理由の約 70% を説明しました。
公開データセットとコードは、エンジニアがこれらのシステムをテストして改善するのに役立ちます。
問題には画質と影が含まれますが、パネルを見つけることはまだうまく機能します。
展開可能なソーラー パネル とキューブサット ソーラー パネルは両方ともこれらの新しいツールを使用します。これらのシステムは、航空宇宙衛星アプリケーションで適切に動作すると信頼できます。
宇宙グレードの太陽電池を選ぶときは、多くのことを確認する必要があります。すべてのサプライヤーが同じ品質を提供しているわけではありません。衛星を正常に動作させたいので、サプライヤーを慎重に選択してください。以下の点に注意してください。
宇宙グレードの太陽電池がもたらす電力と効率はどのくらいか
セルに三重接合や多接合などの接合がいくつあるか
衛星の設計を変えるセルのサイズと重量
強度と軽量化に貢献する下地タイプ
放射線防護のためのソーラーカバーガラスの厚さ
遺産、または宇宙グレードの太陽電池が他のミッションでどれほどうまく機能したか
セルが衛星のシステムに適合するかどうか
テスト用のサンプルまたはモデルを入手できる場合
セルを入手するまでにかかる時間と在庫があるかどうか
セル購入後にサプライヤーがサポートしてくれる場合
エクアドル宇宙局などの一部のサプライヤーは、非常に効率的で軽量な宇宙グレードの太陽電池を製造しています。同社のセルは厳しい温度にも対応でき、システムの使用を改善するためのバイパス ダイオードなどを備えています。宇宙グレードの太陽電池が長期にわたってどのように機能するかを示すデータを必ず求めてください。
宇宙グレードの太陽電池を入手するまでにどれくらいの時間がかかるかを知る必要があります。一部のサプライヤーは特殊なミッションに合わせて各セルを製造するため、長い時間がかかります。待ち時間が長すぎると、プロジェクトが遅れる可能性があります。常にサプライヤーにセルをどれくらいの速さで送れるかを尋ねてください。プロジェクトの早い段階で宇宙グレードの太陽電池を注文するようにしてください。これにより、テストして問題を修正する時間が得られます。
ヒント: 大量注文を購入する前に、サプライヤーに宇宙グレードの太陽電池のエンジニアリング サンプルを提供できるかどうか問い合わせてください。これは問題を回避するのに役立ちます。
宇宙グレードの太陽電池が宇宙規則を満たしていることを確認したいと考えています。認証とは、セルが宇宙で使用するためのテストに合格したことを意味します。信頼できるグループからの証明書を探します。これらのテストでは、耐放射線性、出力、セルの寿命などを確認します。宇宙グレードの太陽電池に適切な証明書があれば、宇宙でも信頼できます。ミッション ファイルの証明書は常に保管してください。
まず、ミッションの電力要件を設定します。ミッション終了時に 2.5 ワットの電力を必要とする CubeSat があると想像してください。あなたは地球低軌道での 2 年間のミッションを計画しています。衛星は放射線と温度の変動に直面することになります。衛星を軽くて小さいものにしたいと考えています。また、時間の経過に伴う電力損失についても計画する必要があります。ほとんどの衛星は、放射線の影響で効率が毎年 1% ～ 10% 低下します。必要な継続電力の少なくとも 1.5 倍を供給できるように太陽電池アレイのサイズを設定する必要があります。これにより、日食期間中も衛星に電力が供給され続けることができます。
ここで、あなたのミッションに適した主な太陽電池の選択肢を見てみましょう。
多接合太陽電池は 30% 以上の効率と高い比出力を実現します。これらは厳しい宇宙環境でもうまく機能します。
薄膜太陽電池は軽くて柔軟性があります。効率は低くなりますが、重量とコストを削減できます。
シリコンセルは信頼性が高く、コストも安くなりますが、効率は通常 20% 未満です。
効率、比電力 (キログラムあたりのワット数)、劣化率などの主要な指標を使用して各オプションを比較します。たとえば、多接合セルでは、同じ面積と質量でより多くの電力が得られます。技術が向上するにつれて、薄膜電池の競争力が高まる可能性があります。スプレッドシートまたは電卓を使用して、各タイプに必要な面積と質量を確認します。
ミッションのニーズとセルの機能を一致させて、最適な太陽電池を選択してください。このCubeSatの場合、 多接合太陽電池が目立ちます。これらにより、高効率、低質量、および放射線に対する優れた耐性が得られます。コストや重量を節約する必要がある場合は、薄膜セルでも機能しますが、より広い面積が必要になる場合があります。打ち上げ前に寿命末期の出力を常にチェックし、パネルが衛星内に収まっていることを確認してください。ミッションのニーズと各セルタイプの機能を比較することで、衛星に最適な太陽電池を選択できます。
簡単な手順で、衛星に最適な太陽電池を選択できます。まず、ミッションにどれだけの電力が必要かを計算します。次に、適切な細胞の種類、サイズ、持続期間を選択します。これ 慎重な方法は、 新しいテクノロジーを使用して強力なパワーと長時間のミッションを実現するのに役立ちます。自分のニーズを研究すると、次の表のように、使用する材料が減り、より多くの力が得られます。
| 結果の | 説明 | なぜ重要なのか |
|---|---|---|
| 219 g/kW のポリシリコンを節約 | カスタマイズされたシリコンセル設計 | 使用するリソースが少なくなる |
| 42.8%の効率が可能 | タンデムセル設計 | 出力を向上させます |
| オーストラリアではウェーハを 50% 薄く | 地域ごとのデザインの違い | 現地のニーズにマッチする |
サプライヤーや専門家に依頼して、あなたの選択があなたの使命に適しているかどうかを確認してください。
まず効率を重視する必要があります。高効率セルにより、より小さな領域からより多くの電力が供給されます。これにより、衛星の重量とスペースを節約できます。
次の式を使用できます:必要な面積 = ミッション終了時の電力 / (太陽放射照度 × 効率 × 劣化係数)
数値を代入して、パネルに必要な面積を見つけます。
放射線、温度変化、塵埃により太陽電池が損傷する可能性があります。これらの要因により、時間の経過とともにセルの効率が低下します。電力システムを設計する際には、この損失を考慮する必要があります。
いいえ、それぞれのミッションには異なるニーズがあります。太陽電池の種類は、ミッションの電力、重量、環境要件に適合させる必要があります。自分のミッションにとって何が最適かを常に確認してください。
サーマルコーティングまたはヒートパイプを使用できます。これらのツールは、パネルから熱を逃がすのに役立ちます。これにより、太陽電池は高温環境でも低温環境でも良好に動作し続けます。
