Analiza wydajności paneli słonecznych dla cubesats i satelitów StarLink

W polu lotniczym zasilanie energii satelitów ma kluczowe znaczenie, a wydajność paneli słonecznych, ponieważ główne urządzenie akwizycji energii bezpośrednio wpływa na wydajność i żywotność operacyjną satelitów. Satelity Cubesats i StarLink reprezentują różne rodzaje zastosowań satelitarnych, z których każdy ma własne cechy pod względem technologii i wydajności paneli słonecznych.

Wydajność paneli słonecznych cubesatelitarnych

Wybór techniczny i wydajność

Cubesats mają wyjątkowo wysokie wymagania dotyczące wydajności i wykorzystania przestrzeni paneli słonecznych ze względu na ich ograniczoną objętość. Obecnie wiele satelitów kostek używa ogniw słonecznych arsenidów galu potrójnego (GAAS). Ten typ akumulatora składa się z wielu warstw materiałów półprzewodnikowych o różnych szerokościach pasma, które mogą skuteczniej wykorzystać światło słoneczne o różnych długościach fal, co poprawiając wydajność konwersji fotoelektrycznej. Na przykład, panel słoneczny 3U Endurosat wykorzystuje trzy ogniwa słoneczne o stopniu przestrzeni, z początkową wydajnością ponad 29,5%. Po 5 latach pracy na orbicie o niskiej ziemi (LEO) wydajność komórki może nadal pozostać powyżej 29%. Technologia słoneczna cienkiego arsenu galicznego urządzeń Alta, spółki zależnej Hanergy w Stanach Zjednoczonych, osiągnęła rekord świata o wydajności pojedynczej komórek ogniw słonecznych wynoszących 29,1%. Te wysokowydajne technologie akumulatorów zapewniają Cubesats możliwość uzyskania większej ilości energii elektrycznej na ograniczonej powierzchni.

Czynniki wpływające na wydajność

Na wydajność sześciennych paneli słonecznych satelitarnych wpływają różne czynniki. Z perspektywy środowiska kosmicznego satelity są narażone na promieniowanie z promieni kosmicznych i cząstek wysokoenergetycznych na orbicie, co może powodować uszkodzenie struktury sieci materiałów akumulatorowych, a następnie zmniejszyć wydajność baterii. Na przykład w środowiskach o wysokim promieniowaniu wydajność niektórych ogniw słonecznych stopniowo spadnie. Temperatura jest również kluczowym czynnikiem. W przestrzeni temperatura powierzchni satelitów zmienia się dramatycznie. Gdy temperatura akumulatora wzrasta, jego wewnętrzne charakterystyki, takie jak zmieniają się mobilność elektronów, co powoduje spadek napięcia otwartego obwodu i ogólną wydajność. Ponadto zmiany postawy satelitarnej powodują kąt, pod którym panele słoneczne otrzymują światło słoneczne. Kiedy światło słoneczne świeci pod niskimi kątami, część światła jest odbijana i nie można go skutecznie wchłaniać i przekształcić, co powoduje straty wydajności.

Wydajność paneli słonecznych satelitarnych Starlink

Rozwój technologiczny i poprawa wydajności

Jako klucz do budowy Globalnego Internetu Satelitarnego SpaceX rozwija się również technologia panelu słonecznego łańcucha satelitarnego. Wczesne satelity StarLink miały stosunkowo ograniczony obszar i wydajność panelu słonecznego, ale wraz z postępem technologicznym obszar panelu słonecznego stopniowo zwiększał się i znacznie się poprawiła. Obszar panelu słonecznego satelity V1.5 Starlink w 2020 r. Wynosi około 30 metrów kwadratowych, z przepustowością około 30 Gb / s; Do 2023 r. Satelita V2Mini Starlink będzie miał obszar panelu słonecznego około 104,96 metrów kwadratowych i zwiększoną szerokość pasma około 80 Gb / s. Przyszły plan polega na wprowadzeniu pełnowymiarowych satelitów V2 StarLink przy użyciu statków statków, przy czym obszar panelu słonecznego każdego satelity przekroczy 210 metrów kwadratowych. Duże panele słoneczne w połączeniu z stale ulepszającą technologią akumulatorów umożliwiają satelity StarLink w celu uzyskania większej ilości energii elektrycznej w celu obsługi ich sprzętu komunikacyjnego i innych urządzeń. Pod względem wydajności powszechnie stosowane polikrystaliczne panele słoneczne krzemu w nowoczesnym statku kosmicznym mogą osiągnąć wydajność konwersji ponad 15%, podczas gdy satelity StarLink mogą stosować bardziej wydajne polikrystaliczne materiały silikonowe lub arsenowe galu. Według danych, panel słoneczny o powierzchni 30 metrów kwadratowych o wydajności około 18% może zapewnić ponad 6000 watów mocy na niskiej orbicie Ziemi, zapewniając niezbędne bezpieczeństwo energetyczne satelitom StarLink w celu osiągnięcia globalnego zasięgu komunikacji.

Strategia optymalizacji wydajności

Aby jeszcze bardziej poprawić wydajność paneli słonecznych, SpaceX przyjął szereg strategii optymalizacji. W projektowaniu satelitarnym stosowane są precyzyjne kontrola orbity i dostosowanie nastawienia, aby upewnić się, że panele słoneczne stają przed słońcem tak długie i stabilnie, jak to możliwe, zmniejszając utratę światła spowodowaną odchyleniem kątowym. W procesie produkcyjnym paneli słonecznych stale poprawiamy proces produkcji, zwiększamy czystość materiału i integrację baterii, zmniejszamy opór wewnętrzny i minimalizujemy utratę energii podczas transmisji i konwersji. Jednocześnie system satelitarny StarLink poczynił również duże wysiłki w zakresie zarządzania energią, optymalizując konfigurację sprzętową i algorytmy oprogramowania w celu zmniejszenia niepotrzebnego zużycia energii i zapewnienia, że ​​energia elektryczna wytwarzana przez panele słoneczne może być skutecznie wykorzystane.

Porównanie dwóch i perspektyw branżowych

Panele słoneczne cubesatelitarne koncentrują się na osiągnięciu wysokiej wydajności konwersji w ograniczonej przestrzeni, aby spełnić ich specyficzne wymagania misji miniaturyzacyjne, takie jak eksploracja naukowa, weryfikacja technologiczna itp. Z drugiej strony, panele satelitarne satelitarne na dużą skalę. Wraz z ciągłym postępem technologii materiałowych i technologii lotniczych, wydajność paneli słonecznych na innych satelitach, takich jak Cubesats i Satelity StarLink, powinny zostać jeszcze bardziej ulepszone. Mogą pojawić się nowe materiały i struktury akumulatorów, takie jak obiecujące technologie, takie jak ogniwa słoneczne Perovskite, które powinny być stosowane w polu lotniczym, napędzając technologię zasilania energii satelitarnej na nowe wysokości i zapewniają podstawę energii solidnej dla bardziej złożonych i długoterminowych misji kosmicznych.