月球科研站未來太陽電池陣設想

劉吉曄，尹興月，宋相毅，肖云鵬

(1.中電科藍天科技股份有限公司，天津 300384；2.武漢理工大學自動化學院，湖北武漢 430070)

未來月球科研站的運轉離不開能源供給系統(tǒng)，為了能實現更多的科研任務，對能量供給模塊提出更高需求。太陽能是太空中最易獲得的可再生能源，提高對太陽能的利用率至關重要[1]。通過材料創(chuàng)新、光吸收優(yōu)化、組件設計和系統(tǒng)集成等方面的改進以及柔性太陽電池與不同展開方式的結合，未來的月面太陽電池陣可以實現更高轉換效率和更強電力輸出，為人類在月球探索提供堅實的基礎。

本文根據太空太陽電池陣技術現狀，針對月球南極月面環(huán)境及月球科研站需求對太陽電池陣未來發(fā)展趨勢進行分析。

1 月球科研站需求分析

當前已有多個國家開展月球科研站構建，隨著我國與俄羅斯聯合發(fā)起國際月球科研站(ILRS)項目，我國將要發(fā)展的月球科研站基本型，第一步將要建成指揮中樞、基本的能源和通信設施，用于滿足基本的月球設施、自動操作和長期探索及研究。

在考慮月面溫度和光照等環(huán)境因素影響下選出的建設地址對于月球科研站能源系統(tǒng)仍是一個不小的挑戰(zhàn)。能源系統(tǒng)需滿足長期探測能源供給的任務需求，及整個月球科研站穩(wěn)定運行的能源需求。在月球科研站建設中，首先需要解決建設所需的能源問題。有了能源，一切建設活動才可能得以繼續(xù)。目前能在月面直接獲取的能源最優(yōu)的仍是太陽能[2]。太陽電池陣是能源系統(tǒng)中的重要組成。由于月球南極可能存在極晝和極夜現象，據初步估算，可能連續(xù)180 多天都有光照，對執(zhí)行無人或有人探測任務均是一大便利。我國探月三期、四期的目標便是在月球南極進行著陸勘察與科考，建立月球科研站基本型，在此基礎上擴展成國際月球科研站。

在建設科研站初期需要投入大量的太陽電池陣以獲得充足的電能，攜帶到月面時需要考慮其輕量化及小型化，在運載能力一定的情況下，盡可能多地裝載太陽電池陣至月面。故太陽電池陣應兼?zhèn)涓哔|量比功率以及高體積比功率兩項關鍵指標。同時接口的標準化設計可以有效提高在月面裝配太陽電池陣的簡便性。根據上述對月球科研站太陽電池陣的需求分析，太陽電池陣要具備高質量比功率、高體積比功率、可拓展等特點，來滿足任務需求。

2 太空太陽電池陣概述

目前國際上主流的太陽電池陣仍為剛性陣，但主流太陽電池陣的質量比功率及體積比功率仍在較低水平。本章對比分析了不同空間太陽電池陣的優(yōu)劣，立足現有技術提出未來月面太陽電池陣發(fā)展方向。

2.1 剛性太陽電池陣

剛性太陽電池陣由剛性基板和太陽電池組成，采用鋁蜂窩夾層結構基板作為承載結構，表面貼裝太陽電池。該技術應用于目前國內外通信、導航、遙感等領域。我國的北斗導航衛(wèi)星就是典型的應用案例之一，如圖1 所示。

圖1 北斗導航衛(wèi)星

剛性太陽電池陣的基板及展開機構等機械部分在太陽翼中的質量占比超過50%，因而質量比功率和體積比功率較低。目前國內剛性太陽電池陣最高的體積比功率可達4.1 kW/m3，質量比功率可達78 W/kg，即便對其結構進行優(yōu)化或使用更高效率的太陽電池片，整體提升空間仍十分有限。

2.2 半剛性太陽電池陣

半剛性太陽電池陣利用高強度框架和纖維網格作為基板，將太陽電池封裝成電池模塊后與基板進行安裝連接。俄羅斯的衛(wèi)星多采用半剛性太陽電池陣，例如“和平號”空間站(Mir)(圖2)、天空實驗室(Skylab)等。我國的天宮目標飛行器以及東五平臺衛(wèi)星采用的也是半剛性太陽電池陣技術(圖3)。由于半剛性太陽電池陣的收攏體積相比剛性太陽電池陣沒有明顯優(yōu)勢，其體積比功率接近剛性太陽電池陣，約為4.4 kW/m3。但半剛性太陽電池陣背面無剛性基板覆蓋，具有良好的散熱性能，同時質量可以明顯降低，質量比功率可提升至91 W/kg。

圖2 和平號空間站

圖3 天宮一號

2.3 柔性太陽電池陣

柔性太陽電池陣是采用復合薄膜結構作為基板，在收攏狀態(tài)下，基板之間均處于貼合壓緊狀態(tài)，對于大面積太陽陣來說，其收攏體積可以減少至剛性陣的十分之一左右。根據收攏展開方式不同，柔性太陽電池陣主要包括三種形式，分別是手風琴展開式、扇形展開式以及卷繞展開式[3]。

(1)手風琴式柔性太陽電池陣

手風琴式柔性太陽電池陣由太陽電池、聚酰亞胺薄膜基板及伸展機構組成，基板以“Z”型折疊的方式收攏在一起，入軌后在展開機構帶動下順序展開。最為典型的應用案例是國際空間站(International Space Station)太陽電池陣，如圖4 所示。目前我國空間站應用的也是手風琴式柔性太陽電池陣?？臻g站太陽電池陣的體積比功率可達18 kW/m3，質量比功率可達160 W/kg。相比于剛性太陽電池陣，兩項指標均有極大提升，但相較卷繞式柔性太陽電池陣仍有一定差距。

圖4 國際空間站

(2) 扇形展開式柔性太陽電池陣

扇形展開式柔性太陽電池陣也是柔性陣的一種，其結構類似于我國傳統(tǒng)的折扇，展開后形成接近于圓形的多邊形。該技術適用于不同地球軌道飛行器，其高收納比的特性使其在深空探測等航天任務中有較為明顯的技術優(yōu)勢，例如“天鵝座”空間站補給飛船、美國的“風凰號”、“洞察號”火星探測器等均使用了該項技術，太陽電池陣的體積比功率可達30 kW/m3，質量比功率可達136 W/kg。其結構形式如圖5所示。

圖5 洞察號火星探測器

(3) 卷繞展開式柔性太陽電池陣

卷繞展開式柔性太陽電池陣(roll-out solar array，ROSA)是近幾年發(fā)展起來的一種新型柔性太陽電池陣技術，整機類似于中國的卷軸畫(圖6)。相比于傳統(tǒng)的輸出功率為15 kW 的剛性太陽電池陣，ROSA 在輸出功率不變的情況下，整機質量可減輕33%，體積可以減少75%。

圖6 卷繞展開式柔性太陽電池陣

目前國內研發(fā)的卷繞展開式太陽電池陣體積比功率已突破40 kW/m3，質量比功率突破280 W/kg。與剛性太陽電池陣相比，質量比功率達到剛性太陽電池陣的2 倍以上，體積比功率指標接近剛性太陽電池陣的10 倍，在這兩方面有明顯技術優(yōu)勢。

3 月球科研站太陽電池陣設想

為適應月球科研站的應用需求，太陽電池陣必須向提高單體電池效率、減輕質量、降低成本、提高收納比等技術方向發(fā)展。隨著柔性伸展機構向小型化、輕量化發(fā)展，鋪設柔性薄膜砷化鎵的全柔性太陽電池陣將獲得更為廣泛的應用前景。

在地球上，太陽電池陣一般是平鋪在地面上，以便在正午更好地接收光照。但是在月球南極，太陽總是靠近地平線。太陽電池板需要垂直安裝才能夠更好地受到光照。手風琴式柔性太陽電池陣展開時為橫向展開，在月球重力影響下，現有技術無法實現。而扇形展開式和卷繞展開式柔性太陽電池陣均可以實現垂直展開，為優(yōu)選的設計狀態(tài)，且兩者均有較高的體積比功率及質量比功率，可以更好地滿足月球科研站對太陽電池陣的需求。選用上述兩種展開方式，可以在月夜期間將太陽電池陣收攏，降低低溫、月塵等環(huán)境因素對太陽電池陣的影響。本章將重點分析這兩種柔性太陽電池陣。

3.1 扇形展開式太陽電池陣

扇形展開式太陽電池陣由固定板、活動板、太陽毯、支撐肋、壓緊釋放裝置以及中心機構等組成。收攏狀態(tài)時，通過壓緊釋放裝置收攏壓緊在固定板上，將其固定在航天器側壁，太陽毯收攏在活動板和固定板之間；展開后，太陽翼面由多個三角形太陽毯組成，太陽毯間由支撐肋等進行連接和支撐。由于其具有收攏體積小、質量比功率高等技術優(yōu)勢，當前被廣泛應用于深空探測領域[4]。其主要優(yōu)勢有：

(1)收攏體積小

扇形展開式太陽電池陣采用多鏈傳動機構，不需要使用傳統(tǒng)太陽電池陣應用的鉸鏈桿等展開機構，因此其收攏體積小。扇形展開式太陽電池陣體積比功率可達30 kW/m3甚至更高。

(2)質量比功率高

當扇形展開式太陽電池陣展開直徑達到5 m 時，質量比功率可達136 W/kg。且隨著扇形直徑擴大，該指標均會有明顯提高。由美國宇航局官方提供的數據得知，當扇形展開式太陽電池陣展開直徑達到30 m 時，輸出功率可以達到350 kW，質量比功率可以達到170 W/kg，與目前我國空間站太陽電池陣指標相當，遠大于國際空間站大型伸展臂式柔性太陽翼的質量比功率30 W/kg(功率為32.8 kW，質量為1 088 kg)。隨著近年太陽電池光電轉換效率的提高以及柔性太陽電池質量減輕，太陽翼的質量比功率仍在持續(xù)提高。

(3)高展開剛度

多個桿組通過鉸鏈連接組成的空間展開機構與柔性太陽毯繃緊時的預應力，可以使太陽電池陣具有較高的展開剛度。

扇形展開式太陽電池陣在月面應用時，由于太陽翼在收攏時太陽電池處于面對面壓緊狀態(tài)，展開后太陽毯處于繃緊狀態(tài)，其全部展開過程中，太陽電池不會受到無較明顯的卷曲，可以鋪設當前技術成熟度較高的剛性太陽電池，保證建設初期太陽電池陣的可靠性。圖7 為扇形展開太陽電池陣效果圖。

圖7 扇形展開太陽電池陣效果圖

且扇形展開式的太陽電池陣，其展開半徑越大，太陽電池陣布片率越高。月面可以不考慮尺寸限制，在月面安裝這類太陽電池陣可以盡可能大地設計展開半徑，提高太陽電池陣的面積比功率。

3.2 卷繞展開式太陽電池陣

卷繞展開式太陽電池陣主要由底座及儲存箱、伸展機構、柔性太陽毯、張緊機構、頂部橫梁等模塊組成。在收攏狀態(tài)時，伸展桿與太陽毯一起卷繞收攏在卷軸上；在展開過程中，依靠展收驅動裝置實現由卷繞狀態(tài)到展開狀態(tài)鎖定。伸展機構展開后成為具有一定剛度和強度的細長桿件，為太陽毯提供支撐。圖8 為柔性展開式太陽電池陣效果圖。

圖8 柔性展開式太陽電池陣效果圖

相比于扇形展開式太陽電池陣，卷繞展開式太陽電池陣的優(yōu)勢主要有：

(1)太陽毯形狀更規(guī)則，布片效率更高，更利于電路劃分，考慮科研站可能采用的高壓、超高壓母線，更規(guī)則的基板更有利于太陽電池陣靜電放電防護設計。

(2)將太陽毯和支撐機構卷繞起來，可以達到更高的收納比。同時配合展開電機可以實現在軌重復展收，在環(huán)境較差時收攏進行防護。

(3)卷繞式太陽電池陣收攏后為圓柱形，可以省去扇形展開式太陽翼為壓緊設置的固定板，降低整體太陽翼體積和質量。

(4)卷繞式太陽電池陣展開后一般為垂直向上，水平排布可拓展性強，便于大規(guī)模組陣。

3.3 小結與展望

上述兩類太陽電池陣均可以設計成接口統(tǒng)一的模塊化產品，將其底部安裝在移動平臺上，便可以實現平臺自動調平、移動和對日定向，不需要宇航員即可自動部署太陽電池陣。扇形展開式太陽電池陣由于其具有較好的展開剛度，可以鋪設成熟的剛性太陽電池，保證產品可靠度，可以在建設初期為科研站提供能源保障。涉及到未來大面積組陣及模塊化應用等，卷繞式太陽電池陣由于具有更小的收攏體積和質量、更規(guī)則的太陽毯等特點，在后期建設大規(guī)模供電站時有不可忽視的優(yōu)勢。

結合目前國內的研制基礎，未來柔性太陽電池陣體積比功率有望突破50 kW/m3，質量比功率有望突破350 W/kg。面向未來的工程應用需求，目前仍有許多工作亟需開展，現對月球科研站太陽電池陣提出以下幾個研發(fā)方向：

(1)柔性太陽電池陣構型及展收方式直接影響整個電池陣的性能指標，而設計約束條件包括功率需求、收攏包絡、工作模式、環(huán)境載荷條件、技術基礎等諸多方面，如何設計出既滿足使用需求，又兼顧技術指標的先進性與當前技術條件下的可實現性，如何將柔性薄膜電池與展開結構進行一體化設計，如何實現高效收攏與可靠展開的有機結合，仍需要進行深入論證與科學決策。

(2)當前國內柔性太陽電池片厚度已由175 μm逐步降低至40 μm，厚度減少約80%，國內柔性薄膜砷化鎵太陽電池效率已突破32%，質量比功率由420 W/kg 提升近5 倍，突破2 000 W/kg。未來如何針對當前薄膜太陽電池進行結構改進、工藝優(yōu)化等方式來制備高效柔性薄膜砷化鎵太陽電池仍為當前主要研究工作。

(3)太陽電池陣在發(fā)射、工作過程中均直接面對惡劣的空間環(huán)境。針對空間環(huán)境進行相應的設計、防護及驗證，才能保證太陽電池陣的可靠性。同時應重點關注月塵吸附影響，開展主動、被動月塵防護措施，防止月塵長期吸附沉積造成產品性能下降。

(4)月面電纜鋪設也是一項重要的挑戰(zhàn)。將太陽電池陣與發(fā)電站連接在一起的傳輸電纜必須能夠延伸至少幾千米，并且能使用數年。與地球土壤不同，月壤沒有被風化成光滑的圓形顆粒，而是類似于細碎的玻璃，非常鋒利，所以電纜需要在保證外皮耐磨可靠的同時進行減重設計，以提供可靠的功率傳輸。

4 結論

月球科研站作為月面空間基礎設施，對提升我國國家形象及國際地位有顯著作用。太陽電池陣作為能源系統(tǒng)中重要的組成部分，亟需開展技術研發(fā)及創(chuàng)新優(yōu)化。本文結合月面環(huán)境及科研站的供電需求，提出了兩種目前可行性較高的柔性太陽電池陣方案。

針對兩類太陽電池陣進行分析并提出未來的發(fā)展方向。其余仍有如全柔性太陽電池電路設計、超高壓母線防護技術、柔性太陽電池焊接技術、月面大面積組陣及模塊化應用技術等關鍵技術需要同步開展攻關研究。以實現高性能、高質量比功率、高體積比功率、高電壓的高可靠全柔性太陽電池陣在未來月球科研站任務中的應用為目標，支撐我國未來月球科研站能源系統(tǒng)發(fā)展。