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太陽光発電パネルは、これまで打ち上げられたほぼすべての宇宙船の電源です。現代の宇宙船は通常、多接合型太陽電池とガリウムヒ素ベースのパネルを使用しています。最初の太陽光発電宇宙船は、2番目の人工衛星であるヴァンガード1号でした。
地球中心軌道付近では、宇宙船は太陽電池パネルを広く利用しています。ほぼすべての人工衛星に加え、すべての有人宇宙ステーションも太陽電池パネルを利用しており、国際宇宙ステーションの太陽電池アレイは、面積3,244平方メートル、翼幅73メートルで、宇宙空間に設置されたものとしては史上最大規模です。太陽光発電は、ソユーズ、神舟、クルードラゴン、オリオンなどの他の有人宇宙船でも利用されています。
太陽からの距離が大きくなるにつれて太陽放射は弱まるため、放射性同位体熱電発電機（RTG）は火星、外惑星、太陽系を離れるミッションにとってより好ましい電源となる。[ 1 ]それにもかかわらず、より大型の太陽電池アレイは、火星周辺や、木星探査機ジュノー、木星氷衛星探査機、エウロパ・クリッパーなどの木星探査ミッションで広く使用されており、これは部分的にはプルトニウム238の世界的な不足によるものである。宇宙におけるその他の原子力発電の代替手段には、 SNAP-10AやUS-A衛星に搭載されているような特殊な核分裂炉や、NASAの最新のキロパワー計画などがある。
実用的なシリコンベースの太陽電池は、 1940年にベル研究所の研究員ラッセル・シューメーカー・オールによって初めて発表されました。その効率はわずか1%でした。1954年4月25日、ニュージャージー州マレーヒルで、彼らは小型のおもちゃの観覧車と太陽光発電の無線送信機を動かすために、この太陽電池パネルを使用しました。当初の効率は約6%でしたが、改良によりこの数値はすぐに向上し始めました。ベルは、遠隔地の電話中継局に電力を供給するシステムとしてこのアイデアに興味を持っていましたが、この役割で実用化するにはデバイスのコストが高すぎました。小型の実験キットや用途を除けば、このセルはほとんど使用されませんでした。[ 2 ]
これは、1958年に米国初の宇宙船であるヴァンガード1号衛星が開発されたことで変化した。ハンス・ツィーグラー博士の計算により、太陽電池でバッテリーパックを充電するシステムは、バッテリーのみを使用する場合よりもはるかに軽量なパッケージで必要な電力を供給できることが実証された。[ 3 ]この衛星は、変換効率約10%のシリコン太陽電池で駆動された。[ 4 ]
米国がヴァンガード1号を打ち上げてから数週間後、ソ連の宇宙計画により、実験的なシリコン太陽電池を備えた銀亜鉛電池を搭載したスプートニク3号が打ち上げられた。 [ 5 ]電池の目的は、送信機やその他の機器に電力を供給することだけでなく、太陽電池に対する放射線や微小隕石による損傷の長期的な影響をテストすることでもあった。電池の一部は保護ガラスで覆われていたが、その他は露出したままだった。電池は20MHzのマヤーク送信機とセルゲイ・ヴェルノフのシンチレーションカウンターに電力を供給することができ、これらは衛星の寿命全体にわたって機能し、約2年後に大気圏に再突入するまで続いた。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
ヴァンガードシステムの成功に触発され、光学会社であるスペクトロラボは、宇宙用途に特化した太陽電池の開発に着手しました。 1958年にパイオニア1号で最初の主要な設計採用を獲得し、その後、アポロ11号ミッションのALSEPパッケージで月へ旅した最初の太陽電池となりました。衛星のサイズと電力が増大するにつれて、スペクトロラボはより強力な太陽電池を導入する方法を模索し始めました。これにより、1970年代のシリコン太陽電池の効率が約12%だったのを、現在のガリウムヒ素（GaAs）太陽電池の効率が約30%に向上した多接合セルの開発を先導しました。これらのタイプのセルは現在、ほぼすべての太陽光発電宇宙船で使用されています。[ 9 ]
宇宙船に搭載された太陽電池パネルは、主に2つの用途に電力を供給する。
どちらの用途においても、ソーラーパネルの重要な性能指標は比出力（発電ワット数をソーラーアレイの質量で割った値）であり、これは、あるアレイが特定の打ち上げ質量に対して他のアレイと比較してどれだけの電力を発電するかを相対的に示すものです。もう1つの重要な指標は格納効率（展開時の発電ワット数を格納時の体積で割った値）であり、これはアレイが打ち上げロケットにどれだけ簡単に収まるかを示します。さらにもう1つの重要な指標はコスト（ワットあたりのドル）です。[ 11 ]
比出力を高めるために、宇宙船の一般的な太陽電池パネルは、太陽光が当たる面積のほぼ100%を覆う密に配置された太陽電池セル長方形を使用しています。これは、地球上の一般的な太陽電池パネルの太陽光が当たる面積の約90%を覆う太陽電池ウェハー円形とは異なります。ただし、宇宙船の太陽電池パネルの中には、太陽光が当たる面積のわずか30%しか覆わない太陽電池セルを使用しているものもあります。[ 10 ]
太陽電池パネルは、宇宙船の移動に合わせて太陽に向けられる表面積が広くなければなりません。表面積が大きければ大きいほど、太陽からの光エネルギーからより多くの電力を変換できます。宇宙船は小型でなければならないため、これが発電できる電力の量を制限することになります。[ 1 ]
すべての電気回路は廃熱を発生させます。さらに、太陽電池アレイは電気コレクターとしてだけでなく、光学コレクター、熱コレクターとしても機能します。熱は表面から放射されなければなりません。高出力の宇宙機では、太陽電池アレイがペイロード自体と熱放散を競合する場合があります。宇宙空間への視界の重なりを減らすため、アレイの一番内側のパネルは「ブランク」になっている場合があります。このような宇宙機には、高出力の通信衛星（例えば、後期のTDRS）や、高出力ではないものの太陽に近い位置にあるビーナス・エクスプレスなどがあります。
宇宙船は、宇宙船の移動に合わせて太陽電池パネルを旋回できるように設計されている。そのため、宇宙船の向きに関係なく、常に太陽光線が直接当たるようにすることができる。宇宙船は通常、戦車の砲塔が戦車の進行方向とは独立して照準を合わせられるのと同様に、宇宙船本体が動いても常に太陽に向けられる太陽電池パネルを備えるように設計されている。太陽電池アレイには、アレイを太陽に向け続けるための追尾機構が組み込まれていることが多い。[ 1 ]
衛星運用者は、太陽電池パネルを意図的に「オフポイント」、つまり太陽からずれた方向に向けることがあります。これは、バッテリーが完全に充電され、必要な電力量が発電量よりも少ない場合に起こります。また、国際宇宙ステーションでは、軌道抵抗を低減するためにオフポイント方式が用いられることもあります。
宇宙には、さまざまなレベルの強力な電磁放射線と電離放射線が存在します。放射線の発生源は、地球の放射線帯（ヴァン・アレン帯とも呼ばれる）、銀河宇宙線（GCR）、太陽風、太陽フレアの4つです。ヴァン・アレン帯と太陽風には主に陽子と電子が含まれていますが、GCRは主に非常に高エネルギーの陽子、アルファ粒子、およびより重いイオンで構成されています。[ 13 ]これらの種類の放射線の結果として、太陽電池パネルは時間の経過とともに効率が低下しますが、その低下率は太陽電池技術と宇宙船の位置に大きく依存します。ホウケイ酸ガラスのパネルカバーの場合、これは年間5～10%の効率低下になる可能性があります。溶融石英や鉛ガラスなどの他のガラスカバーでは、この効率低下を年間1%未満に抑えることができます。
1990年代初頭までは、宇宙で使用される太陽電池アレイは主に結晶シリコン太陽電池を使用していた。1990年代初頭以降、ガリウムヒ素系太陽電池は、宇宙放射線環境下でシリコンよりも効率が高く、劣化が遅いため、シリコンよりも好まれるようになった。現在生産されている最も効率的な太陽電池は、多接合型太陽電池である。これらは、インジウムガリウムリン、ガリウムヒ素、ゲルマニウムの複数の層を組み合わせて、太陽光スペクトルからより多くのエネルギーを収穫する。最先端の多接合型セルは、非集光AM1.5G照射下で39.2%以上、集光AM1.5G照射下で47.1%以上の効率を達成できる。[ 14 ]
これまで、推進以外の目的で太陽光発電が実用的だったのは、太陽から木星の軌道より遠くまで離れていない宇宙船に限られていました。例えば、ジュノー、マゼラン、マーズ・グローバル・サーベイヤー、マーズ・オブザーバーは、地球周回軌道上のハッブル宇宙望遠鏡と同様に太陽光発電を利用していました。 2004年3月2日に打ち上げられたロゼッタ宇宙探査機は、64平方メートル（690平方フィート）の太陽電池パネル[ 15 ]を木星の軌道（5.25天文単位）まで使用しました。それまで最も遠くまで使用されたのは、スターダスト宇宙船の2天文単位でした。推進用の太陽光発電は、ホール効果スラスタを備えた欧州の月探査ミッションSMART-1でも使用されました。[ 16 ]
2011年に打ち上げられたジュノーミッションは、従来の太陽系外縁部ミッションで使用されていた従来のRTGの代わりに太陽電池パネルを使用した初の木星探査ミッション（2016年7月4日に木星に到着）であり、現在までに太陽電池パネルを使用した最も遠い宇宙船となっている。[ 17 ] [ 18 ] 50平方メートル（540平方フィート）のパネルを備えている。[ 19 ] [ 20 ]
現在火星で運用されているインサイト着陸機、インジェニュイティヘリコプター、天問1号周回機、祝栄探査車もすべて太陽電池パネルを利用している。
もう一つ注目すべき宇宙船は、2011年に4ベスタの周回軌道に入ったドーンである。イオン推進器を使用してケレスに到達した。[ 21 ]
木星以遠への太陽光発電宇宙船の可能性が研究されている。[ 22 ]
国際宇宙ステーションも、ステーション内のあらゆる機器に電力を供給するために太陽電池アレイを使用しています。262,400個の太陽電池が約27,000平方フィート（2,500平方メートル）のスペースを覆っています。ステーションに電力を供給する太陽電池アレイは4セットあり、4番目のアレイは2009年3月に設置されました。これらの太陽電池アレイからは240キロワットの電力を生成できます。これは、ISSの時間の50%が地球の影になっていることを含めて、平均システム電力120キロワットに相当します。[ 23 ]
将来のミッションでは、太陽電池アレイの質量を減らし、単位面積あたりの発電量を増やすことが望ましい。これにより宇宙船全体の質量が減り、太陽からより遠い距離でも太陽光発電宇宙船の運用が可能になる可能性がある。太陽電池アレイの質量は、薄膜太陽電池、柔軟なブランケット基板、複合支持構造によって削減できる。太陽電池アレイの効率は、新しい太陽電池材料と入射太陽光を増幅する太陽光集光器を使用することで向上させることができる。宇宙船の主電源用の太陽光集光型太陽電池アレイは、太陽電池に当たる太陽光を増幅する装置である。この設計では、フレネルレンズと呼ばれる平面レンズを使用し、広い面積の太陽光をより小さなスポットに集光することで、より小さな面積の太陽電池を使用できるようにする。
太陽光集光器は、各太陽電池の上にこれらのレンズを1つずつ配置します。これにより、大きな集光器領域からの光がより小さなセル領域に集束されます。これにより、集光量に応じて高価な太陽電池の数を減らすことができます。集光器は、光源が1つで、集光器をその光源に直接向けることができる場合に最も効果を発揮します。これは、太陽が単一の光源である宇宙空間では理想的です。太陽電池は太陽電池アレイの中で最も高価な部分であり、アレイは宇宙船の中でも非常に高価な部分であることが多いです。この技術は、使用する材料が少なくなるため、コストを大幅に削減できる可能性があります。[ 24 ]
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