本帖最后由 twq19810302 于 2022-12-6 10:42 编辑
: A a8 S5 i; F @
! r, n' r+ v+ T$ J1 S' @. c天宫空间站虽然是后起之秀，但论吨位、个头与太阳翼面积，其实与国际空间站还有不小差距。但神奇的是，中国天宫的发电能力，居然能与国际空间站（ISS）能打个平手，这是为何？
2 y: j; K+ }; L% E. F
" z9 Q# U# N+ x( h
中国空间站一期建成之后，有3个大型舱室，大概是90吨重量，其中问天、梦天各有两组太阳翼，天和核心舱还有2组太阳翼，总共六组，都是中国独创应用的柔性太阳翼。 中国空间站未来可以拓展到180吨。虽然天宫本身已经不小，但相比国际空间站还是有些差距。国际空间站是个420吨的太空怪兽，拥有8个大型太阳翼，6个大型舱室，无论是个头还是太阳翼数量，都比天宫大了很多。 但是，在这些数据对比里，有项数值却完全不成比例。那就是在重量、数量都相差较大的前提下，中国天宫空间站的发电功率，居然与国际空间站差不多。换句话说，中国天宫用小得多的尺寸和重量，实现了对国际空间站发电功率、有效舱室体积等指标的追赶。 : \1 L4 d' B4 s2 y* }' O
【天宫发电主要靠四个大型太阳翼，再加上其他太阳能板，发电总功率超过100千瓦】 8 Z& g& V- R' F9 P- G7 r, B% U
天宫发电能力，与国际空间站不相上下国际空间站靠8个电池板，可以产生84-120千瓦的电力。与梦天完成对接后，天宫靠6套电池板，设计发电功率就已经超过100千瓦，两者发电能力已经基本相同。这是什么原因？ 是天宫的太阳能板更大吗？结果数据显示，并不是这样，ISS的面积反而更大。国际空间站的太阳翼，长度超过30米。天宫最大的四个太阳翼，规格是27米X4米，展开面积只有138平米。 【ISS的太阳翼更为巨大，乍看与天宫的差不多，其实完全是两码事】 用这么小的身板，发这么强的电，其实关键就在材料与技术上。乍看ISS与天宫都是太阳翼，样子结构都差不多，但实际上完全是两个时代的产物。 中国空间站的柔性太阳翼，完全是自主研制，寿命长、可靠性高、可以重复展开收放，厚度只有0.7毫米，采用三结砷化镓材料，发电效率超过30%，采用锂电池存储能源；而且有独特的太阳定向装置，随时正对着太阳，确保发电效率。 ' w# A; o: D; ?7 K0 [, g
整个中国空间站，每天发电量可以达到约1000度，可以保证空间站几十个实验机柜的全天运作，还有能量富余。关键是，中国空间站的太阳翼采用二次展开的独特设计，结构和材料领先世界，重量比国际空间站大大减轻，不需要复杂的桁架结构，日后维护更换也更方便。 早在1890年代，不到20岁的法国物理学家埃德蒙·贝克勒尔，其实就已经发现了光伏效应，给人类的能源领域打开了全新的大门。但因为功率太低，这技术在地面上一直没怎么开发利用，直到20世纪50年代太空时代开启，才开始大放光彩。1958年首次用在了美国卫星上，当时发电功率，只有5毫瓦。
+ P* \& I# V; {
【天才物理学家埃德蒙·贝克勒尔，光伏效应也被称作贝克勒尔效应】
0 S. m; r D$ m6 @' e+ {5 e2 u
太阳的辐射强度，在地球附近是稳定不变的，想要提升太阳能发电功率，只有2个办法：一个是增大面积，一个是增强光电转换效率。实际上在1998年时，国际空间站使用的已经是较为先进的硅基太阳能电池板了，不但面积巨大，转换效率也达到了14%。 【先锋1号是美国第二颗卫星，其实只有巴掌大，可见当时美国航天技术确实有些落后苏联】 5 R4 a& A0 u2 o& {' W) Z3 _' c
但是作为第一代半导体材料，想再提升硅基太阳能的发电功率，已经比较困难了。有人就想到了新材料，那就是第二代半导体砷化镓。相比转换效率最高14%的硅基，砷化镓的光电转换效率可以超过30%，直接翻倍。
' i# D5 J, ^* Z2 f4 f
打造新一代太阳翼，哪有那么容易即便有了新材料了，想造出太阳翼也是困难重重。太阳翼要直接在太空里与强辐射对抗，面临着300度的高低温差，需要在这么恶劣的条件下，需要避免老化，维持数年甚至十几年的寿命，难度可想而知。 而且，就像半导体硅一样，砷化镓也需要单晶结构才能使用，仅仅是制备这种产品就需要很高的技术。那么，半导体技术相对薄弱的我国，是怎么较早用上这个技术的？ 因为我国不缺国士，还有前辈打下基础。林兰英院士曾是美国著名半导体专家，放弃优厚条件回到祖国，在五六十年代，先后负责研制成中国第一根硅、砷化镓等单晶，为我国半导体材料研究打下最坚实的基础。 + o( t2 ^0 ~0 v: U& G
【林老曾是美国顶级半导体公司的顶级专家，56年她放弃优越条件毅然回国，曲折程度不比钱学森差多少，也被美国政府“关照”，遭到拦截搜查扣押】
( N* M; w6 S/ ]% X: x
于是，在一代代科研人员接力下， 2016年天宫二号升空，就开始用上半刚性三结砷化镓电池板的全新技术，这时中国已经在新型太阳翼技术上，走在了前头。不知是不是巧合，2017年美国紧接着在国际空间站，测试了砷化镓太阳翼，计划2022-2023年给ISS换上新设备，增强发电能力。与中国前后脚更新太阳翼设备，还真是“巧合”。 至于砷化镓电池板的生产技术门槛到底有多高，看造价就能体会到了。三结砷化镓电池板，一平方厘米造价超过100元人民币，一平米造价就是100万，在有些城市都能买一套房了。 【三结砷化镓电池板加工特别复杂，而且使用的材料也是昂贵金属，但确实是非常优秀的发电装备，这时候不能单纯的算经济账，技术性能超过一切】
1 P, [8 C1 ^$ }' V9 f
砷化镓材料从发现到应用，走过了半个多世纪才开始有眉目，背后是相关技术和加工工艺的不断革新，是一整套产业链的逐渐完善与支撑。 很多类似的技术也都需要这样的厚积薄发，经过十几年数十年的积淀，才能出成果。现在半导体材料已经发展到第三代了，希望我国能再接再厉，生产出光电转换效率更高的新型材料，为下一代中国太空“巨舰”充能。 7 _8 A* q9 x; `# G$ }1 E! z8 P
| 
发表于 2022-12-6 10:40:18
