وحدة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المصنوعة من البيروفسكايت الفضائي / جناح شمسي

1. معلومات أساسية عن المنتج

•        اسم المنتج: وحدة الطاقة الشمسية الكهروضوئية من البيروفسكايت الفضائي / جناح شمسي

•        المادة الأساسية: بلورة بيروفسكايت من نوع ABX₃ (عادةً ما تكون قائمة على MA/FA PbI₃، قابلة للتوسيع لتشمل الأنظمة غير العضوية والقائمة على القصدير)

•        شكل المنتج: وحدة مرنة فائقة الرقة (سُمك الركيزة 10-50 ميكرومتر)، وحدة رقاقة صلبة، وحدة ترادفية من البيروفسكايت بالكامل/بيروفسكايت-سيليكون

•        سيناريوهات التطبيق: مجموعات الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض، ومجسات الفضاء السحيق، والقواعد القمرية/المريخية، ومراكز الحوسبة الفضائية، والمصفوفات الفضائية القابلة للنشر

•        تحديد المواقع الأساسية: حل طاقة فضائي فائق الخفة وعالي الكفاءة ومقاوم للإشعاع ومنخفض التكلفة، مناسب للنشر واسع النطاق في مجال الطيران التجاري

2. المعايير الفنية الأساسية

3. المزايا الأساسية

3.1 خفيف الوزن للغاية، مما يقلل من تكاليف الإطلاق

تصل القدرة النوعية إلى 20-50 واط/غرام، أي ما يعادل 10-60 ضعف قدرة زرنيخيد الغاليوم و13 ضعف قدرة السيليكون؛ وفي ظل نفس القدرة، ينخفض ​​وزن الوحدة بأكثر من 90% مقارنة بالتصميم التقليدي، مما يقلل بشكل كبير من حمولة القمر الصناعي وتكلفة الإطلاق.

3.2 توليد الطاقة بكفاءة عالية، والتكيف مع احتياجات الطاقة الفضائية

تبلغ كفاءة الوصلة المزدوجة حوالي 50٪ (نظريًا)، وتتجاوز كفاءة الوصلة الواحدة 25٪، مما يلبي متطلبات إمداد الطاقة عالية الطاقة في الفضاء؛ كما أنها تتمتع باستجابة ممتازة للضوء المنخفض ويمكنها توفير الطاقة بشكل مستمر في مناطق ظل الأقمار الصناعية وبيئات الإضاءة المنخفضة في الفضاء السحيق.

3.3 قدرة فائقة على التكيف مع البيئة، مما يضمن الحياة في المدار

إن بيئة الفراغ الفضائي الخالية من الأكسجين تتجنب مشكلة التوهين الأرضي؛ كما أن مقاومة الإشعاع تفوق بكثير مقاومة البطاريات التقليدية، حيث يبلغ توهين الكفاءة 10% فقط تحت 10¹² بروتون/سم²، وهناك تأثير للشفاء الذاتي من الإشعاع؛ بالإضافة إلى تحمل نطاق واسع من درجات الحرارة + التكيف المرن، يمكن نشرها على الأسطح المنحنية للأقمار الصناعية والهياكل القابلة للنشر.

3.4 الإنتاج الضخم منخفض التكلفة، والتكيف مع صناعة الطيران التجارية

تبلغ تكلفة المواد الخام 1/100 فقط من تكلفة زرنيخيد الغاليوم؛ وتدعم عمليات الطلاء الدوراني للمحلول والطباعة النفاثة للحبر الإنتاج الضخم على مستوى الجيجاواط بمعدل إنتاج يزيد عن 92٪؛ ولا حاجة للزجاج/الإطار، وتكاليف التصنيع والنشر أقل بكثير من مخططات الخلايا الكهروضوئية الفضائية التقليدية.

4. المواصفات الفنية ونقاط التصميم

4.1 تصميم المواد والهيكل

•        اختيار الركيزة: تعتمد الوحدات المرنة على ركيزة من البوليميد (PI) بسمك موحد يتراوح بين 5-10 ميكرومتر، وهي مناسبة لمتطلبات الانحناء المرن؛ أما الوحدات الصلبة فهي متوافقة مع ركيزة الكوارتز (حيث يتم تقليل فقدان نقل الضوء إلى 5٪).

•        مخطط التانديم: مخطط التانديم المصنوع بالكامل من البيروفسكايت/مخطط التانديم المصنوع من البيروفسكايت والسيليكون لتحسين كفاءة التحويل واستقرار مقاومة الإشعاع.

•        تقنية التغليف: ترسيب الطبقات الذرية (ALD) طلاء نانو Al₂O₃/SiO₂ + غشاء بوليمري مرن، مما يحقق حماية ثلاثية من حاجز الفراغ ومقاومة الإشعاع ومقاومة الأكسجين الذري.

4.2 تصميم التكيف مع بيئة الفضاء

•        الاستقرار الحراري الميكانيكي: تعمل طبقة عازلة متدرجة (أكسيد النيكل، وما إلى ذلك) على تخفيف عدم تطابق معامل التمدد الحراري، ومعدل الاحتفاظ بالكفاءة ≥95% بعد 800 دورة حرارية شديدة.

•        تحسين مقاومة الإشعاع: تعمل البنية غير العضوية بالكامل / ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد على التخلص من خطر تحلل المكونات العضوية، وتحسين تحمل الإشعاع من خلال تقنية تخميل العيوب.

•        الحماية من الفراغ: يحقق نظام التغليف فائق الرقة معدل نقل بخار الماء (WVTR) <10 جم/م²·يوم، مما يلبي متطلبات إزالة الغازات من الفراغ الفضائي واستقرار المكونات.

5. سيناريوهات التطبيق وخطط التكيف

6. الاختبار والشهادة

6.1 عناصر الاختبار الأساسية

•        اختبار المحاكاة البيئية: دورة حرارية شديدة (-180 درجة مئوية ~ 150 درجة مئوية)، تشعيع البروتون / الإلكترون (10¹² ~ 10¹⁶ سم⁻²)، تآكل الأكسجين الذري، اختبار إزالة الغازات في الفراغ.

•        اختبار الأداء الميكانيكي: الاهتزاز والصدمات (ظروف إطلاق الصواريخ)، إجهاد الانحناء المتكرر، التحقق من قابلية التكيف مع الأسطح المنحنية.

•        اختبار توهين الأداء: مراقبة توهين الطاقة المكافئة في المدار لمدة 1-3 سنوات، والتي تتطلب معدل توهين سنوي أقل من 2٪.

6.2 معايير الامتثال

يتوافق مع معايير الفضاء الدولية مثل ESA ECSS-E-ST-20-08C و AIAA و JAXA، ويجتاز التحقق من المحاكاة الأرضية كاملة الأبعاد لتلبية متطلبات الموثوقية العالية للفضاء التجاري.

7. مواصفات التركيب والنشر

7.1 متطلبات التركيب

•        طريقة التثبيت: الوحدات المرنة مناسبة للصق الأسطح المنحنية للأقمار الصناعية / المشابك الميكانيكية؛ الوحدات الصلبة تعتمد على واجهات جناح الطاقة الشمسية القياسية للأقمار الصناعية، وهي متوافقة مع هياكل النشر الحالية.

•        تصميم الأسلاك: تعمل قضبان التوصيل المرنة خفيفة الوزن على تقليل وزن الأسلاك؛ ويتم الاحتفاظ بدوائر احتياطية لتحسين موثوقية النظام.

7.2 عملية النشر

1.      مرحلة الإطلاق: يتم طيها/لفها للتخزين، وتكييفها مع مساحة غطاء الصاروخ؛

2.      دخول المدار والنشر: يتم النشر بواسطة محرك ميكانيكي، حيث تقوم الوحدات المرنة بتسطيح نفسها تلقائيًا، بينما يتم فتح الوحدات الصلبة ونشرها؛

3.      التشغيل الأولي: ضبط كامل للإضاءة، ومعايرة خرج الطاقة، وجمع البيانات البيئية.

8. السلامة والحماية

8.1 احتياطات السلامة

•        يجب أن يتوافق الإنتاج/التجميع مع مواصفات تشغيل المواد الإلكترونية لتجنب التلامس مع مكونات الرصاص/الهالوجين؛

•        يجب إكمال اختبارات إزالة الغازات بالتفريغ واختبارات تبديد الشحنات الكهروستاتيكية قبل النشر في الفضاء لتجنب تلوث المكونات الحساسة للمركبة الفضائية.

8.2 العمر الافتراضي والصيانة

•        العمر النظري في المدار: 10-15 سنة (نظام غير عضوي بالكامل)؛

•        الصيانة الأرضية: لا تتطلب صيانة دورية؛ تتم مراقبة انخفاض الأداء في المدار من خلال بيانات القياس عن بعد، ويتم تشغيل تبديل المكونات الاحتياطية في حالة حدوث أي خلل.

9. التعبئة والتغليف والتخزين والنقل

•        التغليف: تغليف مفرغ من الهواء مضاد للكهرباء الساكنة ومقاوم للرطوبة مع مواد عازلة مدمجة لتجنب الانحناء/الاصطدام أثناء النقل؛

•        شروط التخزين والنقل: يُخزن في درجة حرارة الغرفة وفي مكان جاف، ويُتجنب التعرض المباشر للضوء القوي والبيئة الرطبة؛ تُخزن الوحدات المرنة في حالة ملفوفة، ولا يُسمح بالضغط الشديد عليها.

10. ملاحظات

1.      لضمان التشغيل طويل الأمد في المدار، يجب مراقبة انخفاض الطاقة بانتظام، ويجب تفعيل خطة الاستبدال عندما يتجاوز معدل الانخفاض 30٪؛

2.      في بيئات الإشعاع الشديدة، يمكن استخدام الزجاج المقاوم للإشعاع / الفيلم الواقي المستخدم في صناعة الطيران والفضاء لتحسين الاستقرار بشكل أكبر؛

3.      يجب أن يتوافق اختيار الوحدة مع حمولة المركبة الفضائية وبيئة المدار ومتطلبات الطاقة، وأن يوفر مخططات مخصصة للتكيف مع سيناريوهات المهمة المختلفة.