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編者按：太陽電池陣是衛(wèi)星的唯一供電能源，蓄電池組是衛(wèi)星儲能裝置。在北斗三號中，首次批量采用了轉(zhuǎn)換效率達到世界先進水平的三結(jié)砷化鎵太陽能電池，能和太陽能帆板的尺寸充分匹配，極大提高了衛(wèi)星“吸收”太陽能的效率。

6月23日，我國成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第55顆導(dǎo)航衛(wèi)星，這也是北斗三號系統(tǒng)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星。自此，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座部署完成，歷時20多年的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完美收官。據(jù)了解，太陽電池陣是衛(wèi)星的唯一供電能源，蓄電池組是衛(wèi)星儲能裝置。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主發(fā)展、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目標(biāo)是為全球用戶提供定位導(dǎo)航授時服務(wù)。1983年，以“兩彈一星”元勛、中國科學(xué)院院士陳芳允為代表的專家學(xué)者提出了利用2顆地球同步軌道衛(wèi)星來測定地面和空中目標(biāo)的設(shè)想。從1994年啟動北斗一號系統(tǒng)工程建設(shè)算起，我國全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)歷時26年之久。

衛(wèi)星能源系統(tǒng)是衛(wèi)星的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，被譽為衛(wèi)星的“生命線”。如果把衛(wèi)星在太空中的“活動”比喻成人類活動的話，那么推進系統(tǒng)相當(dāng)于人的“肌肉組織”，控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的“大腦與神經(jīng)組織”，而能源系統(tǒng)相當(dāng)于人的“心臟與血液循環(huán)組織”，為大腦和肢體提供能量。

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，不但要考慮電源各部分的參數(shù)設(shè)計，還要考慮電氣設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、安全性設(shè)計、熱設(shè)計等方面。因為任何方面，哪怕是極微小的疏忽，都有可能導(dǎo)致整個衛(wèi)星電源分系統(tǒng)甚至整顆衛(wèi)星的崩潰。

據(jù)了解，在北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星研制過程中，以中軌道衛(wèi)星為例，配置了雙太陽電池翼、雙蓄電池組、均衡器和電源控制器。其中太陽電池陣是衛(wèi)星的唯一供電能源，蓄電池組是衛(wèi)星儲能裝置。在北斗三號中，首次批量采用了轉(zhuǎn)換效率達到世界先進水平的三結(jié)砷化鎵太陽能電池，能和太陽能帆板的尺寸充分匹配，極大提高了衛(wèi)星“吸收”太陽能的效率。

在儲能方面，北斗衛(wèi)星采用的鋰離子蓄電池組已達到國際先進水平。北斗三號衛(wèi)星鋰離子蓄電池組的成功應(yīng)用，也開啟了鋰離子蓄電池組中高軌道應(yīng)用的新局面，滿足了北斗衛(wèi)星儲能電源能量密度高的需求，讓衛(wèi)星上的各種儀器設(shè)備等有效載荷更有“活力”。



在太空獲取電力來源的渠道非常有限，為了確保衛(wèi)星上各種儀器的電能供應(yīng)，現(xiàn)在大部分的衛(wèi)星都是采用太陽能系統(tǒng)供電。早期航天器上的太陽能電池，是設(shè)置在航天器的外表面上，類似于貼片式。

我國發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”并未使用太陽能技術(shù)，因為當(dāng)時關(guān)于太陽能帆板的相關(guān)技術(shù)并不成熟。早在1968年，中科院半導(dǎo)體所的科研團隊就開始了批量生產(chǎn)航天任務(wù)所計劃的太陽能電池片。不過，出于穩(wěn)妥考慮，任務(wù)和技術(shù)方案有所變化，“東方紅一號”衛(wèi)星上最終沒有粘貼太陽能電池片，但這種設(shè)計結(jié)構(gòu)保留了下來。“東方紅一號”最終使用了銀鋅電池提供能源，但蓄電池的電量是有限的，衛(wèi)星設(shè)計壽命是20天，最后一共飛行了28天，電池耗盡、任務(wù)結(jié)束。

我國在隨后的第二年發(fā)射的“實踐一號”衛(wèi)星（基于“東方紅一號”衛(wèi)星的備用星）就使用了太陽能電池，在軌道上運行了8年，大大延長了壽命。同年發(fā)射的東方紅二號，以及后續(xù)的東方紅三號、四號衛(wèi)星均采用了太陽電池陣。

隨著航天器的不斷發(fā)展，為滿足逐漸增加的用電量需求，開始以巨大的帆板形象呈現(xiàn)。這種帆板的面積不斷增大，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)像翅膀一樣，在航天器的兩邊展開，所以太陽能電池帆板又叫做太陽翼。太陽翼利用硅和某些金屬的光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后儲存在蓄電池中以供衛(wèi)星、宇宙飛船使用。

此外，衛(wèi)星上一般還會裝有驅(qū)動機構(gòu)和太陽敏感器等裝置，它們能夠幫助太陽能帆板找到對準(zhǔn)太陽的最佳角度，讓太陽能帆板受到較長時間和較大照射面積的陽光照射，從而獲得更多的能量。

20世紀(jì)80年代中期，光電轉(zhuǎn)化效率更高的砷化鎵太陽能電池開始用于空間系統(tǒng)。砷化鎵系太陽電池經(jīng)歷了從LPE到MOCVD，從同質(zhì)外延到異質(zhì)外延，從單結(jié)到多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)發(fā)展變化，其光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高。電池效率從最初的16％增加到32％，并在空間系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

不過，傳統(tǒng)的砷化鎵晶片制造技術(shù)成本居高不下，限制了砷化鎵太陽能電池更廣泛的應(yīng)用。目前，科學(xué)家們正在研究在太空中使用硅太陽能電池替換成鈣鈦礦太陽能電池。

如今，太陽能發(fā)電在太空發(fā)展進程中擔(dān)當(dāng)重要角色，更是航天發(fā)展不可或缺的一部分。大規(guī)模開發(fā)利用空間太陽能，將極大地提高經(jīng)濟發(fā)展的速度和質(zhì)量，從而導(dǎo)致新的技術(shù)革命，甚至產(chǎn)業(yè)革命。

未來，期待有更多的太陽能“黑科技”運用在空間技術(shù)上，同時，希望這些技術(shù)能早日降低成本，實現(xiàn)高科技的“民用”化，讓大家都能用上更便宜、更清潔的電能！


 原標(biāo)題：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)完美收官，太陽電池陣是唯一供電能源