Солнечные батареи, их использование в космических аппаратах. Солнечная батарея (панель)

Электроэнергия очень важный и необходимый ресурс нынешнего времени. Источники получения многообразны, а сферы применения обширны. Однако существует область применения электроэнергии, намного отдалённая, нежели чем край Земли – это космос. Источником электроэнергии в космосе является солнечная батарея.

Идея применять энергию солнца за пределами земли появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников земли. В тот период, профессор Николай Степанович Лидоренко обосновал необходимость и возможность применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах .

Данный вид энергии получают с помощью солнечных модулей. Большим помощником в этом деле является сам космос, так как солнечные лучи, так необходимые для процесса фотосинтеза в солнечных модулях , в избытке имеются в космическом пространстве, и нет никаких помех для их потребления.

Минусом использования солнечных батарей на околоземной орбите, может служить влияние радиации на материал изготовления фотопластин. Благодаря такому негативному влияния происходит изменение структуры солнечных элементов, что влечет снижение выработки электроэнергии.

В научных лабораториях всей земли, в настоящее время, происходит схожая задача – совершенствование и упрощение получения электроэнергии от солнца не только для использования в космосе, но и передачи ее на землю. Только не в масштабах отдельного дома или города, а в размерах всей планеты.

Суть этой работы состоит в том, чтобы разобраться в принципах получения электроэнергии от солнца, сделать предположения по их совершенствованию. Изучить возможность применения солнечных батарей в космосе, рассмотреть современные достижениях научных школ по данной проблеме, собрать в домашних условиях солнечную батарею, провести с ней эксперименты.

Солнечную батарею можно сделать в домашних условиях, используя фотодиоды.

Используя солнечную батарею можно собрать простейшие схемы, включение светодиода, электронных часов.

Использование солнечной батареи промышленного произвосдтва для создания модели “луноход 1”

Несмотря на то, что уже много лет солнечные батареи являются одним из источников питания на земле и единственным источником питания в космосе, остается ряд неразрешенных вопросов. Актуальными являются утилизация отработанных солнечных батарей, создание орбитальной солнечной электростанции, способы передачи электроэнергии из космоса на землю.

На мой взгляд, в качестве перспективного материала для создания солнечных батарей являются органические соединения – красители.

Сотрудники Уральского Федерального Университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина занимаются разработкой и синтезированием органических красителей для солнечных батарей. Выпущен ряд работ, показывающий перспективность данных исследований . Рассмотрев несколько красителей, визуально определил наиболее яркий при свечении. (Жидкости при дневном свете и освещенные синим светодиодом).

Использование красителей, в какой то мере решает вопросы по утилизации и по доставке их в космос с последующим использованием, но минусом данной теории является то, что данные материалы подвержены воздействию агрессивного космоса и имеют низкий КПД по сравнению с солнечными батареями на кремнии.

Физика наука экспериментальная, и благодаря данному проекту, легко убедится, что для совершенствования преобразования солнечной энергии в электрическую необходимо более глубоко исследовать красители.

Солнечная батарея на МКС

Солнечная батарея - несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος , Helios - ). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

История

Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном.

25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании - Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 году, в США был запущен первый с солнечными батареями - Vanguard 1. Спустя всего пару месяцев, 15 мая 1958 года в СССР был запущен Спутник-3, также с использованием солнечных батарей.

Использование в космосе

Солнечные батареи - один из основных способов получения электрической энергии на : они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и .

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой ) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к и , напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу (AM0), составляет около 1366 ватт на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9-24 %. При этом цена батареи составит около 1-3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26-30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4х4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 %. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46%.

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200-300 нм) светом (т. е. электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85%.

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Производство

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.

Холдинг "Российские космические системы" (РКС, входит в состав "Роскосмоса") завершил создание модернизированной системы электрической защиты для солнечных батарей отечественного производства. Её применение позволит существенно продлить срок работы источников питания космических аппаратов и сделает российские солнечные батареи одними из самых энергоэффективных в мире. О разработке сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию.

В конструкции новых диодов использовали запатентованные технические решения, которые существенно улучшили их эксплуатационные характеристики и повысили их надёжность. Так, применение специально разработанной многослойной диэлектрической изоляции кристалла позволяет диоду выдерживать обратное напряжение до 1,1 киловольта. Благодаря этому новое поколение защитных диодов может использоваться с самыми эффективными из существующих фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). Ранее, когда диоды были неустойчивыми к высокому обратному напряжению, приходилось выбирать не самые эффективные образцы.

Для повышения надёжности и срока службы диодов в РКС создали новые многослойные коммутирующие шины диодов на основе молибдена, благодаря которым диоды выдерживают более 700 термоударов. Термоудар - типичная ситуация для фотоэлементов в космосе, когда при переходе из освещённой части орбиты в затенённую Землёй температура за несколько минут изменяется более чем на 300 градусов Цельсия. Стандартные компоненты земных солнечных батарей такого не выдерживают, а ресурс космических во многом определяется количеством термоударов, которое они могут пережить.

Срок активного существования солнечной батареи космического аппарата, оснащённой новыми диодами, увеличится до 15,5 года. Ещё 5 лет диод может храниться на Земле. Таким образом, общий гарантийный срок эксплуатации диодов нового поколения составляет 20,5 года. Высокая надёжность устройства подтверждена независимыми ресурсными испытаниями, в ходе которых диоды выдержали более семи тысяч термоциклов. Отработанная групповая технология производства позволяет РКС выпускать более 15 тысяч диодов нового поколения в год. Их поставки планируется начать уже в 2017 году.

Новые фотоэлементы выдержат до 700 перепадов температуры на 300 градусов Цельсия и смогут проработать в космосее более 15 лет

Солнечные батареи для космоса состоят из фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) размером 25х50 миллиметров. Площадь солнечных батарей может достигать 100 квадратных метров (для орбитальных станций), поэтому ФЭП в одной системе может быть очень много. ФЭП расположены цепочками. Каждую отдельную цепочку называют "стринг". В космосе отдельные ФЭП периодически поражаются космическими лучами, и если бы на них не было никакой защиты, то из строя могла бы выйти вся солнечная батарея, в которой находится поражённый преобразователь.

Основу системы защиты солнечной батареи составляют диоды - небольшие устройства, устанавливаемые в комплекте с ФЭП. Когда солнечная батарея частично или полностью попадает в тень, ФЭП вместо подачи тока на аккумуляторы начинают его потребление - через ФЭП идёт обратное напряжение. Чтобы этого не происходило, на каждом ФЭП устанавливается шунтирующий диод, а на каждый "стринг" - блокирующий диод. Чем эффективнее ФЭП, чем больше тока он выдаёт, тем больше будет обратное напряжение при попадании солнечной батареи в тень Земли.

Если шунтирующий диод "не тянет" обратное напряжение выше определённой величины, ФЭП придется делать менее эффективными, чтобы как прямой ток зарядки батарей, так и обратный ток нежелательной разрядки были минимальны. Когда со временем под воздействием дестабилизирующих факторов космического пространства отдельные ФЭП или сразу "стринг" выходят из строя, такие элементы просто отсекаются, не затрагивая рабочие ФЭП и другие "стринги". Это позволяет остальным, ещё исправным, преобразователям продолжать работу. Таким образом, именно от качества диодов зависит энергоэффективность и срок активного существования солнечной батареи.

В СССР на солнечных батареях использовались только блокирующие диоды, при неисправности одного ФЭП выключавшие сразу целую цепочку преобразователей. Из-за этого деградация солнечных батарей на советских спутниках была быстрой и работали они не очень долго. Это заставляло чаще делать и запускать аппараты им на замену, что было весьма недёшево. С 1990-х при создании отечественных космических аппаратов стали применять ФЭП иностранного производства, которые закупались в сборе с диодами. Переломить ситуацию удалось лишь в XXI веке.

Традиционные солнечные батареи ранее состояли из панелей, соединенных металлическими стержнями. В результате вес спутников с тяжелыми панелями был очень значительным.

Эксперимент, который недавно начали на МКС, должен проверить дизайн новой солнечной батареи, которая вмещается в компактный цилиндр при запуске. Она имеет значительно меньшую массу и объем, что потенциально предлагает вариант для существенного снижения расходов, а также увеличение мощности для будущего поколения спутников.

Меньше и легче, чем традиционные солнечные батареи, Солнечная развертываемая батарея, или ROSA, состоит из одной центральной панели, содержащей гибкие фотогальванические элементы, чтобы преобразовать свет в электричество.

По обе стороны от панели расположены боковые держатели, которые способны выдвигаться соответственно длине батареи, и являются опорой для неё. Держатели, или стрелы, сделаны из легких композитных материалов. Стрела похожа на выдвигающуюся удочку, состоящую из нескольких маленьких секций.

Новая батарея может быть легко адаптирована к различным размерам, включая очень большие массивы, чтобы обеспечить энергией будущие космические станции. В случае успеха эксперимента солнечные батареи станут более компактными и более легкими для спутников радио и телевидения, прогнозирования погоды, GPS и предоставляющих другие услуги для пользователей на Земле. Кроме того, технология могла быть адаптирована для обеспечения энергией межпланетных кораблей, находящихся далеко от Солнца.

Экспериментальный образец ROSA позволит узнать, как хорошо новый тип солнечных батарей развертывается в невесомости и работает в экстремальных температурах космоса. Будет также изучено, как конструкция отвечает на маневры, проводимые космическим аппаратом.

Если космический корабль начнет какой-то маневр, может возникнуть вращающий момент и батарея начнет вибрировать. Необходимо знать точно, когда и как она вибрирует, чтобы не потерять контроль над кораблем. Единственный способ проверить это – эксперименты в космосе.

Будет проведены замеры, когда батарея находится на Солнце и в полной тени, собраны данные, насколько она вибрирует при перемещении из зоны тени к зоне солнечного света. Эта вибрация, известная как тепловая, представляет проблему для спутников с чувствительными тепловыми датчиками.

Новая конструкция очень тонкая, только несколько миллиметров, нагревается очень быстро, десятки градусов за несколько секунд. Это создает тепловые перегрузки, которые могут заставить ее дрожать. Как следствие – проблемы, например, если бы спутник пытался сделать снимок в этот момент.

Цель эксперимента также – сравнить данные, полученные на орбите, с эталонными измерениями, ранее проведенными на Земле.

В случае успеха эксперимента масса будущих батарей станет на 20% легче и объем в четыре раза меньше. Это приведет к серьезному снижению общей массы космического аппарата и высвобождению объема, что позволит увеличить количество полезной аппаратуры, например, на спутнике связи.