中国空间站太阳能电池转化效率超30%,国际空间站为何弃用?

中国成功发射“天和”号核心舱,正式开启天宫空间站建设进程,预计到2022年底,在环绕地球的轨道上将出现第二座巨大的人造天体。

中国空间站太阳能电池转化效率超30%,国际空间站为何弃用?

天宫空间站

天宫空间站亮点多多,它巨大的太阳能翼光电转换效率高达30%,这意味着它仅用国际空间站一半面积的太阳能电池就能超过ISS的总供电量。这是个很了不起的事情,你别看国际空间站那么庞大,它最显眼的部分就是共2500平方米的8块太阳能帆板,以及支撑这些太阳能帆板的桁架,把这些东西去掉,ISS就会玲珑许多。

更多更大的太阳能帆板能发更多的电,除了支持科学实验,还能让里边工作的航天员生活得更舒服些。不好的地方是:这东西很贵、很重、把它运上天安装维护都很费钱,并且由于400公里高的轨道上依然有稀薄的空气,航天器体积越大阻力就越大,就需要更多的燃料来维持轨道高度,这些都是钱。

中国空间站太阳能电池转化效率超30%,国际空间站为何弃用?

国际空间站(ISS)巨大的太阳能翼

如果太阳能电池的光电转化效率高,我们能用更小的电池发更多的电,就以解决上面出现的问题——这也是科学家们一直在琢磨的事情。

1839年,19岁的法国物理学家埃德蒙·贝克勒尔制作出世界上第一个光伏电池;1905年,爱因斯坦在他的光量子理论中解释了光电效应的原理,他因此获得诺贝尔物理学奖;1954年,第一个实用性的光伏电池问世;1958年,太阳能电池正式装在了卫星上。自此之后越来越多的航天器使用太阳能来源源不断地提供电力。

但是在100多年间,光伏电池的光电转化效率一直提不上去,科学家使出吃奶的力气把硅基太阳能电池的转化率提高到30%左右,但把它安装到国际空间站上最多只达到14%。你可能觉得奇怪:不是说大气层上方的阳光更强吗,为什么太阳能电池反而效率更低了呢?

中国空间站太阳能电池转化效率超30%,国际空间站为何弃用?

ISS太阳翼和它的硅单元

由于大气层阻挡了一部分阳光,地面太阳强度大约是大气层上方的70%~75%,但是在阳光照射到的地方温度超过120℃,硅基电池在高温下的效率大打折扣——你又不能不让它晒太阳,所以这是个无解的问题。

与美国不同,中国空间站选择了柔性砷化镓薄膜电池来供电,它不仅薄如蝉翼,还不受太空恶劣环境影响,光电转化率超过30%!硬是甩国际空间站几条街。

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天和核心舱外展开的砷化镓薄膜电池

有朋友说,老周你讲的不对吧,国际空间站上也用了砷化镓薄膜电池,前段时间还做了实验,电池是中国某公司生产的呢!

嗯,国际空间站上的太阳能帆板一部分已经超过15年,因为老化,它的效率已经大不如前,因此NASA正准备把它换掉。但是新“推出式太阳能电池(ROSA)”并非采用中国公司的砷化镓,而是使用了美国某飞机公司的硅基薄膜电池,所以新换上去的电池依旧不到15%。

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国际空间站新电池实验“部分成功”

国际空间站的新太阳能电池主打的是可伸展可回收,用了类似小孩子吹的伸缩口哨原理,搞笑的是这玩意儿第一次送到空间站做实验,它展开后就没办法“内卷”,只好直接扔掉了。

不知是出于对新电池可靠性的担心,还是觉得它太贵,NASA并不打算扔掉国际空间站原来的太阳能帆板,而是把六块新电池叠加在旧电池的缝隙上,这样就挡住了一部分旧电池的光线。美国给出的解释是:旧电池尽管老化,但还能发电,把新电池装上去之后可以使空间站总发电量恢复到15年前215千瓦的峰值水平。

中国空间站太阳能电池转化效率超30%,国际空间站为何弃用?

国际空间站太阳能打补丁

2021年5月,中国空间站“天和”核心舱将迎来第一艘“天舟”货运飞船。如无意外,美国货运飞船也将载着两个新ROSA组件抵达国际空间站,开启太阳能的补缺工作。对于太阳能电池的研究,中美都走在了世界的前列,除了三个PN结的砷化镓电池外,科学家们还在更多结、以及其它基底太阳能电池上取得进展,有的材料光电转化率甚至超过60%,但这些产品因为各种原因还无法进入太空。不管结果如何,中国空间站30%的能效记录在可见的将来都不会被超越。

为什么NASA不使用转化率更高的中国砷化镓电池组件,是因为它不可靠吗?我只能告诉你,这无关技术,它是笔很大的生意。