劉吉曄，尹興月，宋相毅，肖云鵬

(1.中電科藍(lán)天科技股份有限公司，天津 300384；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430070)

未來月球科研站的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開能源供給系統(tǒng)，為了能實(shí)現(xiàn)更多的科研任務(wù)，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(guān)重要[1]。通過材料創(chuàng)新、光吸收優(yōu)化、組件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成等方面的改進(jìn)以及柔性太陽電池與不同展開方式的結(jié)合，未來的月面太陽電池陣可以實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換效率和更強(qiáng)電力輸出，為人類在月球探索提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文根據(jù)太空太陽電池陣技術(shù)現(xiàn)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(jìn)行分析。

1 月球科研站需求分析

當(dāng)前已有多個(gè)國家開展月球科研站構(gòu)建，隨著我國與俄羅斯聯(lián)合發(fā)起國際月球科研站(ILRS)項(xiàng)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(shè)施，用于滿足基本的月球設(shè)施、自動(dòng)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(shè)地址對于月球科研站能源系統(tǒng)仍是一個(gè)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(wù)需求，及整個(gè)月球科研站穩(wěn)定運(yùn)行的能源需求。在月球科研站建設(shè)中，首先需要解決建設(shè)所需的能源問題。有了能源，一切建設(shè)活動(dòng)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(xiàn)象，據(jù)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(wù)均是一大便利。我國探月三期、四期的目標(biāo)便是在月球南極進(jìn)行著陸勘察與科考，建立月球科研站基本型，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展成國際月球科研站。

在建設(shè)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(shí)需要考慮其輕量化及小型化，在運(yùn)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(yīng)兼?zhèn)涓哔|(zhì)量比功率以及高體積比功率兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可以有效提高在月面裝配太陽電池陣的簡便性。根據(jù)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(zhì)量比功率、高體積比功率、可拓展等特點(diǎn)，來滿足任務(wù)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(zhì)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(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)基板作為承載結(jié)構(gòu)，表面貼裝太陽電池。該技術(shù)應(yīng)用于目前國內(nèi)外通信、導(dǎo)航、遙感等領(lǐng)域。我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星就是典型的應(yīng)用案例之一，如圖1 所示。

圖1 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星

剛性太陽電池陣的基板及展開機(jī)構(gòu)等機(jī)械部分在太陽翼中的質(zhì)量占比超過50%，因而質(zhì)量比功率和體積比功率較低。目前國內(nèi)剛性太陽電池陣最高的體積比功率可達(dá)4.1 kW/m3，質(zhì)量比功率可達(dá)78 W/kg，即便對其結(jié)構(gòu)進(jìn)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?yán)酶邚?qiáng)度框架和纖維網(wǎng)格作為基板，將太陽電池封裝成電池模塊后與基板進(jìn)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(hào)”空間站(Mir)(圖2)、天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab)等。我國的天宮目標(biāo)飛行器以及東五平臺(tái)衛(wèi)星采用的也是半剛性太陽電池陣技術(shù)(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(shí)質(zhì)量可以明顯降低，質(zhì)量比功率可提升至91 W/kg。

圖2 和平號(hào)空間站

圖3 天宮一號(hào)

2.3 柔性太陽電池陣

柔性太陽電池陣是采用復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)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(jù)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(fēng)琴展開式、扇形展開式以及卷繞展開式[3]。

(1)手風(fēng)琴式柔性太陽電池陣

手風(fēng)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(jī)構(gòu)組成，基板以“Z”型折疊的方式收攏在一起，入軌后在展開機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下順序展開。最為典型的應(yīng)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(yīng)用的也是手風(fēng)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(dá)18 kW/m3，質(zhì)量比功率可達(dá)160 W/kg。相比于剛性太陽電池陣，兩項(xiàng)指標(biāo)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(jié)構(gòu)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(shù)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(wù)中有較為明顯的技術(shù)優(yōu)勢，例如“天鵝座”空間站補(bǔ)給飛船、美國的“風(fēng)凰號(hào)”、“洞察號(hào)”火星探測器等均使用了該項(xiàng)技術(shù)，太陽電池陣的體積比功率可達(dá)30 kW/m3，質(zhì)量比功率可達(dá)136 W/kg。其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 洞察號(hào)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(shù)，整機(jī)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(jī)質(zhì)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(nèi)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(zhì)量比功率突破280 W/kg。與剛性太陽電池陣相比，質(zhì)量比功率達(dá)到剛性太陽電池陣的2 倍以上，體積比功率指標(biāo)接近剛性太陽電池陣的10 倍，在這兩方面有明顯技術(shù)優(yōu)勢。

3 月球科研站太陽電池陣設(shè)想

為適應(yīng)月球科研站的應(yīng)用需求，太陽電池陣必須向提高單體電池效率、減輕質(zhì)量、降低成本、提高收納比等技術(shù)方向發(fā)展。隨著柔性伸展機(jī)構(gòu)向小型化、輕量化發(fā)展，鋪設(shè)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(yīng)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(fēng)琴式柔性太陽電池陣展開時(shí)為橫向展開，在月球重力影響下，現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)。而扇形展開式和卷繞展開式柔性太陽電池陣均可以實(shí)現(xiàn)垂直展開，為優(yōu)選的設(shè)計(jì)狀態(tài)，且兩者均有較高的體積比功率及質(zhì)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(diǎn)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(dòng)板、太陽毯、支撐肋、壓緊釋放裝置以及中心機(jī)構(gòu)等組成。收攏狀態(tài)時(shí)，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(cè)壁，太陽毯收攏在活動(dòng)板和固定板之間；展開后，太陽翼面由多個(gè)三角形太陽毯組成，太陽毯間由支撐肋等進(jìn)行連接和支撐。由于其具有收攏體積小、質(zhì)量比功率高等技術(shù)優(yōu)勢，當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于深空探測領(lǐng)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(dòng)機(jī)構(gòu)，不需要使用傳統(tǒng)太陽電池陣應(yīng)用的鉸鏈桿等展開機(jī)構(gòu)，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(dá)30 kW/m3甚至更高。

(2)質(zhì)量比功率高

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

(3)高展開剛度

多個(gè)桿組通過鉸鏈連接組成的空間展開機(jī)構(gòu)與柔性太陽毯繃緊時(shí)的預(yù)應(yīng)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(yīng)用時(shí)，由于太陽翼在收攏時(shí)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(huì)受到無較明顯的卷曲，可以鋪設(shè)當(dāng)前技術(shù)成熟度較高的剛性太陽電池，保證建設(shè)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(shè)計(jì)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(chǔ)存箱、伸展機(jī)構(gòu)、柔性太陽毯、張緊機(jī)構(gòu)、頂部橫梁等模塊組成。在收攏狀態(tài)時(shí)，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(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)由卷繞狀態(tài)到展開狀態(tài)鎖定。伸展機(jī)構(gòu)展開后成為具有一定剛度和強(qiáng)度的細(xì)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(hù)設(shè)計(jì)。

(2)將太陽毯和支撐機(jī)構(gòu)卷繞起來，可以達(dá)到更高的收納比。同時(shí)配合展開電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在軌重復(fù)展收，在環(huán)境較差時(shí)收攏進(jìn)行防護(hù)。

(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(shè)置的固定板，降低整體太陽翼體積和質(zhì)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(qiáng)，便于大規(guī)模組陣。

3.3 小結(jié)與展望

上述兩類太陽電池陣均可以設(shè)計(jì)成接口統(tǒng)一的模塊化產(chǎn)品，將其底部安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，便可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平、移動(dòng)和對日定向，不需要宇航員即可自動(dòng)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(shè)成熟的剛性太陽電池，保證產(chǎn)品可靠度，可以在建設(shè)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(yīng)用等，卷繞式太陽電池陣由于具有更小的收攏體積和質(zhì)量、更規(guī)則的太陽毯等特點(diǎn)，在后期建設(shè)大規(guī)模供電站時(shí)有不可忽視的優(yōu)勢。

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

(1)柔性太陽電池陣構(gòu)型及展收方式直接影響整個(gè)電池陣的性能指標(biāo)，而設(shè)計(jì)約束條件包括功率需求、收攏包絡(luò)、工作模式、環(huán)境載荷條件、技術(shù)基礎(chǔ)等諸多方面，如何設(shè)計(jì)出既滿足使用需求，又兼顧技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性與當(dāng)前技術(shù)條件下的可實(shí)現(xiàn)性，如何將柔性薄膜電池與展開結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，如何實(shí)現(xiàn)高效收攏與可靠展開的有機(jī)結(jié)合，仍需要進(jìn)行深入論證與科學(xué)決策。

(2)當(dāng)前國內(nèi)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(nèi)柔性薄膜砷化鎵太陽電池效率已突破32%，質(zhì)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(dāng)前薄膜太陽電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)、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(dāng)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(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、防護(hù)及驗(yàn)證，才能保證太陽電池陣的可靠性。同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注月塵吸附影響，開展主動(dòng)、被動(dòng)月塵防護(hù)措施，防止月塵長期吸附沉積造成產(chǎn)品性能下降。

(4)月面電纜鋪設(shè)也是一項(xiàng)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(shù)年。與地球土壤不同，月壤沒有被風(fēng)化成光滑的圓形顆粒，而是類似于細(xì)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(shí)進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，以提供可靠的功率傳輸。

4 結(jié)論

月球科研站作為月面空間基礎(chǔ)設(shè)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(shù)研發(fā)及創(chuàng)新優(yōu)化。本文結(jié)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(jìn)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(shè)計(jì)、超高壓母線防護(hù)技術(shù)、柔性太陽電池焊接技術(shù)、月面大面積組陣及模塊化應(yīng)用技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)需要同步開展攻關(guān)研究。以實(shí)現(xiàn)高性能、高質(zhì)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(wù)中的應(yīng)用為目標(biāo)，支撐我國未來月球科研站能源系統(tǒng)發(fā)展。