空间太阳电池阵行业技术水平及特点
思瀚产业研究院 中电科蓝天    2025-06-30

宇航电源系统因使用环境极为特殊，往往面临着极端的温度变化、压力和强辐射，因此对于电源有很高的要求。从产品类别来看，宇航电源系统包括一次性电源、核电源、燃料电池、太阳能热动力系统、太阳电池阵——蓄电池组电源系统等

一次性电源主要有锌银电池组和亚硫酰氯电池，用于短期的主电源或应急、火工品点火辅助等

核电源主要有放射性同位素温差发电器、核反应堆温差发电器和核反应堆热离子发电器三种，适用于光强低、核辐射、空间攻防、轨道机动和深空探测等

燃料电池主要为采用质子交换膜的氢氧燃料电池，可作为大功率短期飞行任务航天器的主电源

太阳能热动力系统采用的是热能-机械能-电能的转化方式，但系统十分复杂，目前较少使用

太阳电池阵——蓄电池组电源系统由太阳电池阵、蓄电池组、电源控制设备等三部分组成：太阳电池阵通过光伏效应把太阳能转换为直流电，并由电源控制设备完成分流、稳压调节、充电控制等功能，向航天器各种载荷供电并对蓄电池组充电

目前，太阳电池阵——蓄电池组电源系统是绝大多数在轨航天器使用的电源系统类型，也是临近空间飞行器使用最广泛的电源系统类型，下文分析的宇航电源系统包括航天器电源系统和临近空间飞行器电源系统。

太阳电池阵——蓄电池组电源系统通常由空间太阳电池阵（太阳翼）、空间锂离子电池组、电源控制设备等三类单机构成。

空间太阳电池阵是由许多太阳电池组成的阵列，可以将空间轨道的太阳光能转化为电能，以供航天器使用，是航天器电源分系统的主电源。太阳电池是利用光伏效应将太阳能通过半导体物质转变为直流电能的一种器件，应用于太空的太阳电池被称为空间（用）太阳电池。与地面光伏电池追求规模制造和低成本不同的是，空间太阳电池的核心价值在于极致的性能与可靠性，是卫星、空间站和深空探测器等各类航天器的生命线。在宇航电源发展史上，作为主电源的太阳电池阵经历了硅太阳电池——单结砷化镓太阳电池——多结砷化镓太阳电池——薄膜砷化镓太阳电池的四次革新。

20 世纪 80 年代以前航天器主要采用硅太阳电池作为太阳电池阵的发电单元，它具有工艺成熟、生产成本低、机械强度高等优点，通过工艺技术改进，空间用硅太阳电池的光电转化效率从早期的 12.3%至提升到 15%以上。

20 世纪 90 年代单结砷化镓电池开始取代硅电池作为航天器的基本发电单元。相较于硅材料，砷化镓的带隙宽度为 1.42eV，与太阳光谱的匹配程度高，单结砷化镓电池光电效率可达 25%，具有耐高温、耐辐照性能更佳、光电转化效率更高等特点。

21 世纪以来随着金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）、隧穿结串联等技术的发展，三结砷化镓太阳电池实现工程化量产和空间应用。相比于单结砷化镓电池，三结砷化镓电池具有光电转化效率高、空间环境适应性好、不同子电池层晶格匹配性强等特点。目前，发行人广泛使用三结砷化镓电池制造太阳电池阵，并研制了基于柔性薄膜砷化镓太阳电池的全柔性太阳电池阵。

空间太阳电池阵按基板类型，可分为刚性太阳电池阵、半刚性太阳电池阵以及柔性太阳电池阵。

1、刚性太阳电池

阵刚性太阳电池阵由刚性基板和刚性太阳电池组成，采用铝蜂窝夹层结构基板作为承载结构，基板厚度为 20~30mm，表面贴装太阳电池，太阳翼质量比功率约为 70~100W/kg，收拢体积比功率约为 4kW/m³。

目前，国内外通信、导航遥感等领域的大多数航天器均使用了这种技术成熟度高、可靠性高的太阳电池阵技术。对于整个系统来说，刚性太阳电池阵的基板及展开机构等机械部分在太阳翼的质量占比超过 50%，同时，由于铝蜂窝基板较厚并且在收拢状态下太阳电池板之间需要留有 20mm 左右的安全间距，收纳体积较大。因此，刚性太阳电池阵的质量比功率和体积比功率相对较低。

2、半刚性太阳电池阵

半刚性太阳电池阵利用高强度框架和纤维网格作为基板，将太阳电池封装成为电池模块后与基板进行安装连接。俄罗斯的卫星多采用半刚性太阳电池阵，例如“和平号”空间站、天空实验室（Skylab）等。我国的天舟系列货运飞船、天宫目标飞行器以及东方红五号卫星公用平台采用的也是半刚性太阳电池阵技术。

半刚性太阳电池阵由于基板的网格结构特点，电池背面无刚性基板覆盖，散热性能更好，电池在轨工作时温度更低、输出功率更高。半刚性基板通常采用碳纤维材料框架，相对较轻，质量比功率较刚性太阳阵有所提高，可达到75~120W/kg，但体积比功率和刚性阵大致相同。另外，半刚性太阳阵背面为网格结构，可以采用双面太阳电池来充分利用地球对太阳的反射光发电，提高太阳阵单位面积的输出功率。

3、柔性太阳电池阵

柔性太阳电池阵是采用复合薄膜结构作为基板，与刚性、半刚性太阳电池阵在收拢状态下基板之间需留有间距不同，柔性阵在收拢状态下，每块基板均处于贴合压紧状态，对于大面积太阳阵来说，其收拢体积可以减少至刚性阵的 1/10左右。根据收拢展开方式不同，柔性太阳电池阵主要包括三种形式，分别是手风琴式、扇形展开式以及卷绕展开式。三种柔性太阳电池阵的主要区别如下：

手风琴式柔性太阳电池阵：由太阳电池组件、聚酰亚胺薄膜基板及伸展机构组成，基板以“Z”型折叠的方式收拢在一起，入轨后在展开机构带动下顺序展开。

典型的应用案例是国际空间站太阳电池阵，有 4 对共 8 个太阳电池翼，单翼的展宽大于 70m，整个太阳电池阵的面积超过 2,400m2，发电总功率75~90kW，中国空间站也使用该项技术

扇形展开式柔性太阳电池阵：结构类似于我国传统的折扇，展开后形成接近于圆形的多边形。该结构特点使得太阳电池阵在展开刚度/强度、收拢体积比功率等方面具有明显优势，其质量比功率可达 175W/kg以上，体积比功率达到 33kW/m³。

高收纳比的特性使其在深空探测等航天任务中有较为明显的技术优势，例如美国的“天鹅座”空间站补给飞船、“凤凰号”火星探测器等均使用了该项技术

卷绕展开式柔性太阳电池阵（ROSA）：近几年发展起来的一种新型柔性太阳电池阵技术，整机类似于中国的卷轴画。这种方式的太阳电池阵具有高质量比功率、高收纳比、可卷绕等特点。

2021 年 6 月部署在国际空间站；商业化方面应用在 Ovzon-3 通信卫星等。

中国空间站搭载了中电科蓝天科技股份有限公司研制的手风琴式柔性太阳电池阵。在发射过程中，柔性太阳电池阵如同合拢的手风琴收缩于舱内，单板厚度不足 1mm，且单位面积重量仅为传统太阳电池阵的一半。在天和、问天、梦天三舱组合后，中国空间站的柔性太阳电池阵总发电面积接近 400 平方米，发电总功率超过 100kW。

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