美國(guó)為近太空飛艇開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能電池技術(shù)
[美國(guó)《航空航天技術(shù)周刊》2005年5月22日?qǐng)?bào)道] 美導(dǎo)彈防御局(MDA)高空飛艇(HAA)原型機(jī)將采用光伏電池推進(jìn)，為機(jī)載設(shè)備提供電力。該無(wú)人飛艇預(yù)定在2009年夏季首飛，原型艇長(zhǎng)400英尺(122米)，直徑140英尺(42.7米)，體積370萬(wàn)立方英尺(10.48萬(wàn)立方米)，用于驗(yàn)證是否可開(kāi)發(fā)更大的飛艇，在近太空高度呆上1年或更長(zhǎng)時(shí)間，執(zhí)行通信中繼、監(jiān)視、氣象監(jiān)控等任務(wù)。
2003年9月，MDA選擇了洛克希德•馬丁公司來(lái)承擔(dān)該先進(jìn)概念技術(shù)演示(ACTD)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)降低階段的工作。此后，洛•馬公司為該項(xiàng)目評(píng)估了由密歇根州奧本山的聯(lián)合太陽(yáng)能奧佛電子公司研制的薄膜式太陽(yáng)能電池，現(xiàn)在它已選定了HAA原型機(jī)的太陽(yáng)能電池供應(yīng)商，但并未公布是哪家公司。
同時(shí)，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)已授予數(shù)家公司太陽(yáng)能電池研究合同。據(jù)該實(shí)驗(yàn)室空間飛行器理事會(huì)先進(jìn)空間動(dòng)力與發(fā)電小組負(fù)責(zé)人約翰•梅里爾(John Merrill)稱(chēng)，這些公司包括聯(lián)合太陽(yáng)能奧佛電子公司、位于科羅拉多州利特爾頓的ITN能量系統(tǒng)公司、位于加利福尼亞州查茲沃斯的國(guó)際太陽(yáng)能電力技術(shù)公司(ISET)等。
AFRL一直在研究采用非晶硅和多晶體銅銦鎵硒(CIGS)的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)，這也正是MDA準(zhǔn)備用于其HAA的。雖然這種電池不如更新型的晶體硅多結(jié)太陽(yáng)能電池有效，但其柔軟和輕質(zhì)的特點(diǎn)使之可用于厚度只有千分之一英寸(0.3048毫米)的聚合物底層上，玻璃之類(lèi)較重的底層目前被用于地面太陽(yáng)能電池陣。
AFRL認(rèn)為，若將用于空間飛行器的薄膜太陽(yáng)能電池陣貼在輕質(zhì)支撐表面，那么與當(dāng)前最新的晶體硅多結(jié)剛性支撐太陽(yáng)能電池陣相比，其成本只有后者的20%，單位功率比后者高7倍，可裝載體積比后者高10倍，并具有更好的抗輻射能力。AFRL空間飛行器理事會(huì)太空船部件技術(shù)分部負(fù)責(zé)人森福特女士表示，AFRL已開(kāi)發(fā)了空間用晶體硅多結(jié)陣，但它們需要安裝在船舷，且彼此間需通過(guò)焊接連成陣列，這是很耗費(fèi)工時(shí)和成本的工作。新型薄膜陣在效費(fèi)比和產(chǎn)品體積方面都更有優(yōu)勢(shì)，其制造方法是在一塊柔性底層上涂敷光電能量轉(zhuǎn)換材料，然后利用激光束將材料劃分為獨(dú)立的電池。
AFRL表示，薄膜陣是在不使用易碎的晶體硅多結(jié)陣的情況下、能滿(mǎn)足HAA能量需求的惟一途徑。此外，其輕質(zhì)特點(diǎn)還可降低對(duì)HAA升力的要求，因?yàn)槠渲亓棵吭黾?磅(0.4536千克)，就需要HAA增加數(shù)百立方英尺的氣體來(lái)提供升力。HAA的薄膜陣將與單片集成電路集成，并通過(guò)集成電路板而不是焊接工藝互連，將在提高輸出功率和工作效率的同時(shí)減輕重量。
目前的薄膜陣效率約為9.5%，HAA上使用的陣列大約也是這個(gè)水平，但梅里爾表示AFRL希望能達(dá)到15%。在這方面所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是：如何在陣列由研究用小尺寸擴(kuò)大到空間飛行器實(shí)際所需的尺寸時(shí)，保持足夠的效率。目前，位于美國(guó)科羅拉多州戈?duì)柕堑拿绹?guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(屬美國(guó)能源部)已在小尺寸陣列上達(dá)到18%的效率水平，但在開(kāi)發(fā)合適的制造工藝、以在更大的尺寸上保持效率方面?zhèn)涫芾_。不過(guò)梅里爾表示，AFRL在這方面已取得了進(jìn)展。
現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池已在功率密度(量綱瓦/千克)上取得了極大的進(jìn)步。按梅里爾的說(shuō)法，聯(lián)合太陽(yáng)能奧佛電子公司在多年以前建造的一個(gè)采用厚不銹鋼底層的地面太陽(yáng)能電池陣，功率密度約為130瓦/千克；而當(dāng)今單片集成的非晶硅聚合物底層陣列的功率密度已達(dá)1800瓦/千克。梅里爾還說(shuō)，他希望在2007年的這個(gè)時(shí)候，這一指標(biāo)可進(jìn)一步提高到至少2200瓦/千克。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了HAA項(xiàng)目原型機(jī)要求的大于750瓦/千克，已足以滿(mǎn)足作戰(zhàn)型HAA的要求。
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