太空太阳能电池在远离地球大气层的极端条件下工作。它们面临着强烈的辐射、温度波动和真空，而地球上的太阳能电池板则要应对天气、灰尘和不断变化的阳光。工程师为每种环境选择材料和设计。这些选择会影响每个系统可以产生多少能量及其持续时间。了解这些差异有助于推动太阳能技术的进步。
太空太阳能电池 采用先进的材料和设计，可以承受辐射和真空等恶劣条件，而地球电池板则注重耐候性和经济性。
太空太阳能电池可实现更高的效率和持续供电，但由于材料复杂和发射费用较高，成本更高。
地球太阳能电池板面临着天气、灰尘和污染的挑战，但定期维护和改进的设计有助于保持其性能。
耐用性是关键：太空电池在极端压力下可以长期使用，而地球面板则提供 25 年或更长的保修期，以力保可靠的能源。
太空太阳能技术的创新通常会改进地面太阳能电池板，推动全球家庭和企业清洁能源的进步。
太空太阳能电池 为卫星、空间站和深空探测器提供动力。这些电池必须在辐射、极端温度和真空条件挑战其性能的恶劣环境中工作。自 20 世纪 50 年代以来，工程师们对这些单元进行了改进，以满足太空任务的需求。贝尔实验室开发的首位块硅太阳能电池使 Vanguard 1 卫星能够在 1958 年使用太阳能。随着时间的推移，多结电池和超轻材料等新设计提高了效率并减轻了重量。
《天基太阳能市场规模、份额、增长报告》等市场研究表明，技术趋势包括先进的整流天线设计和碳纤维复合材料。这些报告凸显了人们对天基太阳能日益增长的兴趣，预测市场将从 2030 年的 47 亿美元增长到 2040 年的 68 亿美元。利益相关者包括政府机构、国防、商业公司和技术开发商。
时期 |
里程碑/事件 |
对太空太阳能电池的影响 |
对地球太阳能电池板的影响 |
|---|---|---|---|
20世纪50年代 |
贝尔实验室开发的硅太阳能电池 |
启用了先锋 1 号等早期太空任务 |
显着提高了效率和耐用性 |
20世纪50年代末-1960年代 |
早期由太阳能驱动的太空探索任务 |
证明了卫星的可行性 |
用于偏远地区的电信和水泵 |
20世纪70年代 |
能源危机刺激太阳能研发投资 |
直接影响有限；仍处于探索阶段 |
提高效率和成本，提高采用率 |
1974 |
美国太阳能研究法案 |
不适用 |
加速技术开发和采用 |
地球太阳能电池板为家庭、企业和公用事业提供清洁能源。这些面板面临着天气、灰尘和不断变化的阳光等挑战。自 20 世纪 70 年代以来，政府资助和研究帮助降低了成本并提高了效率。 1974年美国太阳能研究法案对加快发展发挥了关键作用。如今，太阳能电池板采用先进的制造和材料，为世界各地提供可靠的电力。
很近的行业报告汇集了数十年的研究成果，展示了太阳能如何从早期的离网使用发展到广泛采用。这些报告还讨论了投资趋势、新技术以及太阳能在应对气候变化方面的作用。专家指出，虽然太空太阳能发电仍然昂贵且复杂，但地球太阳能电池板不断改进并扩大其覆盖范围。
太空太阳能电池 采用先进材料，可在恶劣的太空环境中生存并发挥作用。工程师通常选择 III-V 多结太阳能电池来执行这些任务。这些电池结合了多种化合物半导体，例如磷化铟镓 (InGaP)、砷化镓 (GaAs) 和锗 (Ge)。每层捕获阳光的不同部分，这有助于电池达到非常高的效率——有时在集中阳光下高达 47.1%。这些细胞又薄又轻，甚优可以是柔性的。它们的设计使其能够抵抗辐射和温度波动。制造过程复杂且昂贵，涉及金属有机气相外延等步骤。一些新设计使用由 III-V 族材料制成的纳米线结构。纳米线太阳能电池可以处理比平板薄膜多 10 优 40 倍的辐射。纳米线的形状可以让有害颗粒通过，从而减少损害并帮助细胞在太空中存活更长时间。
地球上大多数太阳能电池板都使用硅作为主要材料。硅太阳能电池由单元素硅制成，其中掺杂有少量硼或磷等其他元素。这个过程帮助细胞将阳光转化为电能。硅面板很受欢迎，因为它们制造成本较低且易于大量生产。工程师通过添加新层或使用离子注入等特殊处理来改进硅电池，以提高其性能。一些较新的 Earth 面板使用 PERC 或 TOPCon 技术。这些设计有助于面板更好地工作、使用寿命更长，但它们仍然比太空电池对辐射更敏感。钙钛矿太阳能电池也在研究中，但它们需要特殊的辐射硬度测试，因为它们的结构比硅或III-V电池更软。
太阳能电池的设计选择取决于它们的使用地点。太空太阳能电池必须重量轻、高效，并且能够承受高水平的辐射。工程师经常使用灵活或薄型设计来减轻火箭的重量。纳米线和多结电池有助于防止辐射并使电池保持工作多年。在地球上，太阳能电池板必须应对天气、灰尘和变化的阳光。设计师专注于使面板坚固、易于安装且价格实惠。他们增加了倾斜支架和防护玻璃等功能，以帮助面板延长使用寿命。
太空和地球之间的测试标准也不同。科学家使用 AM0 标准来测试太空太阳能电池。 AM0代表“空气质量零”，这意味着阳光没有穿过地球大气层。与用于地球面板的 AM1.5 标准 (100.0 mW/cm⊃2;) 相比，该标准测量的总辐照度更高 (134.8 mW/cm⊃2;)。 AM1.5 标准模拟美国中部中午穿过大气层后的阳光。这些差异很重要，因为阳光的光谱和强度会改变太阳能电池的工作效果。研究表明，使用错误的标准可能会导致绩效测量出现高达 10% 的误差。天基太阳能发电系统几乎可以随时接收阳光，而地球电池板由于大气层的原因损失了约21%的能量，并且只能在白天接收阳光。
注：天基太阳能发电系统的阳光照射量是地球上优选地点的三倍，但它们面临着更高的发射和维护成本。
太空太阳能电池 必须在恶劣的太空环境中提供高性能。工程师使用几个关键指标来衡量他们的效率。其中包括填充因子 (FF)、开路电压 (Voc) 和短路电流 (Isc)。填充因子显示太阳能电池将阳光转化为可用电力的能力。值通常在 50% 到 82% 之间。堆叠不同材料的多结电池可以达到高达 44% 的效率。在集中阳光下，一些先进的设计已达到 47.1% 的创纪录效率。
美国国家标准与技术研究所 (NIST) 定期测试和校准这些电池。他们的工作力保即使在细胞面临辐射和极端温度时，效率数据仍然准确。与在地球上的性能（约 16%）相比，在太空中硅太阳能电池的效率（约 14%）通常略低。然而，太空中更多的阳光意味着这些电池仍然可以产生更多的电力。聚光光伏系统将阳光聚焦到小型高效电池上，可以进一步提高发电量。
公制/基准 |
描述/值 |
|---|---|
填充系数 (FF) |
50%–82% |
多结电池效率 |
高达 44%（浓度下为 47.1%） |
硅电池效率（空间） |
〜14% |
开路电压 (Voc) |
取决于材料和温度 |
短路电流 (Isc) |
与接收到的阳光成正比 |
比功率（瓦/千克） |
航天器有效载荷需要高值 |
辐射硬度 |
长期任务的必备品 |
太空太阳能电池通常使用多结设计来捕获更多的太阳能量。这些电池在 AM0 光谱中工作良好，该光谱与地球大气层外的阳光相匹配。它们的高效率和耐用性使其成为卫星和深空探测器的理想选择。
地球上的太阳能电池板面临着不同的挑战。它们的效率取决于电池类型、天气和位置。大多数硅面板的效率在 10.34% 到 14.00% 之间，平均约为 13.6%。一些气候较冷的先进面板，例如柏林，可以达到 17.1%。高温和灰尘会降低效率，尤其是在迪拜等炎热的地方。在热带地区，高湿度和污染也会降低性能。
地区 |
地点 |
太阳辐射量（kWh/m⊃2；/天） |
效率 （％） |
主要环境因素 |
运营挑战 |
|---|---|---|---|---|---|
沙漠 |
迪拜 |
6.5 |
14.2 |
高温、积尘 |
由于热量和灰尘而导致效率损失 |
温带 |
柏林 |
3.0 |
17.1 |
温度较低 |
尽管辐射较低但效率更高 |
热带 |
新加坡 |
不适用 |
年产量较低 |
高湿度 (84%)，云层覆盖 |
潮湿和污染会降低性能 |
研究人员使用计算机模型来预测面板在不同条件下的表现。这些模型表明，温度升高会降低效率。冷却策略，例如更好的气流或特殊涂层，有助于保持面板正常工作。这些模型与制造商和实验的真实数据相匹配，因此它们为提高太阳能电池板的性能提供了有用的指导。
有几个因素会影响太阳能电池在太空和地球上的工作效果。在太空中，工程师关心的是比功率（瓦特/千克）、能量密度以及电池的抗辐射能力。多结电池提供高效率和比功率，有助于航天器节省重量和空间。薄膜太阳能电池通常在地球上使用，现在正用于太空任务。这些灵活的设计为未来航天器带来了希望。
在地球上，太阳能电池板必须应对不断变化的阳光、天气和污染。当面板太热或太脏时，效率就会下降。在较凉爽的气候下，即使阳光较弱，面板通常也能更好地工作。工程师使用性能比来将实际输出与面板在完美条件下应产生的输出进行比较。这有助于他们找到改进系统设计和维护的方法。
提示：定期清洁和正确安装可以帮助地球太阳能电池板保持高效率，特别是在多尘或潮湿的环境中。
太空和地球太阳能技术都在不断改进。工程师研究成本、重量、尺寸和效率之间的权衡，以找到适合每种环境的优选解决方案。这些努力推动了卫星、家庭和企业太阳能的进步。
太空为太阳能技术提供了一些很恶劣的条件。 轨道上的太阳能电池 面临着来自太阳的强烈辐射，包括电子和质子。温度可以从冰冷到超过 100 °C。太空中的真空会除去空气，这意味着无法抵御紫外线 (UV) 或突然的热变化。这些因素结合起来导致材料快速降解。微生物致死实验表明，真空、太阳能加热和紫外线共同造成强烈的环境压力。效果根据航天器的位置而变化。在火星之外，真空和热量占主导地位。除了土星之外，真空本身就成为主要挑战。在长期任务中，航天器表面的太阳能电池会接收高剂量的太阳能，从而导致更多的磨损。科学家们致力于模拟和改进太阳能电池抵抗辐射和极端温度的能力。
真空、太阳能加热和紫外线共同作用来降解材料。
随着时间的推移，辐射引起的损伤会降低效率。
环境随着距太阳的距离而变化。
地球上的太阳能电池板面临着不同的挑战。天气、污染和大气都会影响到达电池板的阳光量。雨、雪和灰尘会覆盖面板并阻挡阳光。空气中的污染，例如烟雾或灰尘，会减少阳光的数量和质量。研究表明，污染改变了阳光的传播方式，使其不那么直射，而更加分散。这降低了面板可以收集的能量。在城市中，污染会减少日照时间并降低面板性能。温度和风也发挥了作用。高温会降低电池板的效率，而风可以帮助冷却它们。
污染会减少阳光并改变其质量。
雨雪等天气事件会阻挡阳光。
高温会降低面板效率。
太阳能电池技术 |
温室气体排放量（克二氧化碳当量/千瓦时） |
主要环境影响因素 |
制造环境影响 |
|---|---|---|---|
单晶硅 (m-Si) |
37.5（欧洲）优 88.7（中国） |
高能量输入用于硅提纯；溶剂排放导致酸化 |
中国煤电增加的温室气体排放量高达总影响的 80% |
多晶硅 (p-Si) |
与m-Si类似的趋势 |
铝框架和聚合物层会导致排放 |
与中国相比，欧洲电力结构减少了 13-17.6% 的温室气体排放 |
碲化镉 (CdTe) |
研究类型中很低 |
降低能源和材料需求；镉的毒性较高 |
通过更简单的制造和更低的能源消耗来平衡毒性问题 |
工程师设计 太阳能电池在 其环境中生存。在太空中，他们使用能够抵抗辐射和极端温度的特殊材料。多结电池和纳米线设计有助于防止损坏。即使在轨道上运行多年后，这些电池仍能保持高效。在地球上，面板使用坚韧的玻璃和框架来应对天气。有些面板具有防尘防水涂层。冷却系统和更好的气流有助于防止面板过热。制造商也在寻找减少生产过程中温室气体排放的方法。他们尽可能使用回收材料和清洁能源。
注意：太阳能电池的类型及其制造地点可能会改变其对环境的影响。使用毒性较低的材料和回收利用有助于减少对地球的危害。
太空中的太阳能电池必须能够承受极端条件。 NASA 在国际空间站上测试了钙钛矿太阳能电池 10 个月。这些电池面临真空、辐射和温度波动。返回地球后，暴露在太空中的电池比在地面上测试的电池受到的损坏要小。有些甚优恢复了吸收阳光的能力。这个结果表明 即使在严酷的压力下，太空太阳能电池的 使用寿命也更长，降解速度更慢。工程师使用特殊材料和设计来帮助这些电池抵抗辐射和温度变化。因此，卫星和太空探测器可以依赖其电力系统很多年。
地球上的太阳能电池板面临着不同的挑战。他们必须应对雨、雪、风和污染。制造商通过将面板长期暴露在高温、潮湿和阳光下来测试面板的耐用性。例如，西北大学的研究人员为钙钛矿太阳能电池创建了阻挡层。有了这个屏障，电池在 55°C 的充足阳光下运行 1,000 小时后仍能保持 90% 的启动效率。如果没有屏障，细胞的寿命不到 200 小时。大多数商用面板都使用硅，并提供长达 25 年或更长时间的电力保修。下表显示了不同品牌致力 25 年后的功率。
制造商 |
25年后电源保固率(%) |
|---|---|
美洲太阳能公司 |
80.6 |
奥信太阳能 |
80.7 |
博维太阳能 |
80 |
阿特斯阳光电力 |
83.1 |
某特德太阳能 |
80 |
首位太阳能公司 |
80 |
全球太阳能 |
80 |
LG |
90.8 |
松下 |
90.76 |
Q细胞 |
83 |
REC太阳能 |
86 |
瑞康太阳能 |
83.6 |
太阳电力 |
92 |
天合光能 |
80.68 |
威奈科 |
80.2 |
高品质的面板每年损失的电量更少。有些每年的降解量仅为 0.25%，而另一些则在首位年后每年损失高达 0.7%。
太空任务无法轻易养护或清洁太阳能电池。工程师设计的这些电池可以在没有帮助的情况下工作多年。他们使用抗损坏的材料，即使长时间暴露在太空中也能继续工作。在地球上，太阳能电池板需要定期维护。业主清洁面板以去除灰尘和碎片。技术人员检查是否有损坏并更换有故障的部件。良好的维护有助于面板使用寿命更长并产生更多能量。一些新面板具有防水和防尘涂层，使其更容易保持清洁。
用于太空任务的太阳能技术成本高昂。将设备发射到轨道仍然昂贵。目前的发射成本约为每公斤 2,700 美元。新的火箭设计，如 SpaceX Starship，未来可能会将成本降低优每公斤 200 美元。建设一个 1 吉瓦的太空太阳能发电系统可能需要 10 优 200 亿美元的初始投资。这些系统使用先进的材料，必须能够承受恶劣的条件，这增加了价格。政府和私营企业共同投资，分担风险、共享回报。资金来自美国宇航局、欧洲航天局和中国等。随着时间的推移，这些投资有助于推动研究并降低成本。太空太阳能项目的投资回报需要几十年的时间，但专家相信，未来的系统每美元可以提供比现在更多的能量。
地球上太阳能电池板的安装成本要低得多。由于大规模生产和更好的技术，制造和安装变得更加便宜。大多数家庭和企业只需花费数千美元即可安装太阳能电池板。维护成本很低，因为面板可以使用数十年并且几乎不需要维护。政府的激励措施和补贴有助于使家庭和公司更负担得起太阳能。然而，能量输出取决于天气和日光，这限制了这些电池板可以提供的功率。
天基太阳能和地面太阳能都具有独特的经济效应。下表对关键方面进行了比较：
方面 |
天基太阳能（SBSP） |
地面太阳能 |
|---|---|---|
太阳能电池板效率 |
更高的效率（无大气损失） |
由于云层和污染而较低 |
营业时间 |
~99% 正常运行时间（持续阳光照射） |
~25–30%（取决于天气和日光） |
传输效率 |
现在10-15%，可能达到50-80% |
不适用 |
降解率 |
每年 <1% |
每年 0.5–1% |
发射成本 |
现在为 2,700 美元/公斤，可能为 200 美元/公斤 |
不适用 |
初始资本成本 |
每吉瓦 10-200 亿美元 |
较低，但供应间歇性 |
每项投资的能源产出 |
预计到 2050 年将增加 10 倍 |
基线 |
市场预测 |
到 2040 年将达到 50-1000 亿美元 |
不断成长、完善 |
政府投资 |
美国宇航局、欧空局、中国 |
各项补贴 |
长期能源共享 |
到 2070 年将占全球能源总量的 20% |
显着，但受间歇性限制 |
火箭技术、模块化卫星设计和无线电力传输的进步可以使太空太阳能变得更加实用和经济。公共和私人伙伴关系以及政府的支持在使这些项目成为可能方面发挥着关键作用。
太空任务依靠太阳能技术提供动力。卫星、空间站和深空探测器使用太阳能电池阵列来运行其系统。一个重要的例子是 Asgardia-1 CubeSat。这颗小卫星使用灵活、 高效太阳能电池。 Alta Devices 的这些电池提供约 24 瓦的功率，并且可以轻松安装到 CubeSat 的结构上。来自 Twiggs 太空实验室、NearSpace Launch 和 NanoRacks 的团队共同努力，使任务取得成功。太阳能电池应对了空间挑战，例如辐射和设备空间有限。该案例展示了太空太阳能电池如何帮助教育和商业任务实现其目标。
加州理工学院 2023 年的任务在太空中测试了新型太阳能电池阵列和微波发射器。该团队面临电缆和移动部件的问题，但地面控制人员使用摄像头和振动解决了这些问题。这次任务证明了天基太阳能发电系统可以在真实条件下工作。这些测试帮助科学家了解如何在未来构建更大的系统。
年 |
使命/项目 |
主要成果 |
|---|---|---|
2020 |
空军 X-37B |
演示了从太空发射的微波功率 |
2023 |
加州理工学院部署 |
经过验证的功率发射和太阳能电池阵列功能 |
在地球上，太阳能电池板为家庭、学校和企业供电。人们用它们来降低能源费用并减少污染。太阳能发电厂为整个社区提供电力。便携式太阳能电池板有助于电力线无法到达的偏远地区。许多城市在屋顶和停车场使用太阳能电池板。这些面板必须能够应对天气、灰尘和变化的阳光。工程师不断改进设计，使其使用寿命更长，并且在不同气候下工作得更好。
来自太空的创新往往会改善地球上的太阳能技术。柔性太阳能电池很初用于卫星，现在出现在便携式充电器和建筑材料中。抗辐射研究有助于使面板在恶劣环境下更加耐用。在太空中进行测试的无线电力传输有一天可以将太阳能从太空发送到地球。这些进步表明太空任务如何推动每个人的清洁能源进步。
太空任务激发了新的想法，并帮助世界各地的人们更加可靠和负担得起太阳能。
太空和地球太阳能电池板的工作环境截然不同。太空面板面临辐射和真空，而地球面板则应对天气和污染。科学家在国际空间站上测试太阳能电池，以测量它们在太空中的工作情况。报告显示，太空新技术可以帮助地球上的环境和经济。了解这些差异有助于工程师为未来构建更好的太阳能系统。
太空太阳能电池 采用稀有材料和先进设计。工程师必须测试它们的辐射和极端温度。发射成本会增加价格。这些因素使得太空太阳能电池比地球上使用的电池板昂贵得多。
地球面板无法在太空中生存。它们缺乏针对辐射和温度波动的保护。太空任务需要能够抵抗损坏并持续工作多年的特殊电池。
卫星和航天器有严格的重量限制。更轻的太阳能电池有助于节省燃料并降低发射成本。工程师将空间单元设计得又薄又坚固，因此它们可以满足这些需求。
工程师使用AM0标准来测试太空太阳能电池。他们将细胞暴露在实验室的真空、辐射和温度波动中。这些测试显示了电池在轨道上的工作情况。
