Конструкции панелей солнечных батарей космических аппаратов. Орбитальные солнечные станции

Эти полупроводниковые устройства преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток. Проще говоря, это основные элементы устройства, которое мы называем «солнечными батареями». С помощью таких батарей на космических орбитах работают искусственные спутники Земли. Делают такие батареи у нас в Краснодаре - на заводе «Сатурн». Отправляемся туда на экскурсию.

Предприятие в Краснодаре входит в структуру Федерального космического агентства, но владеет «Сатурном» компания «Очаково», которая в буквальном смысле спасла это производство в 90-е годы. Владельцы «Очаково» выкупили контрольный пакет акций, который чуть было не ушел к американцам.

Сюда были вложены большие средства и закуплено современное оборудование, и теперь «Сатурн» - один из двух лидеров на российском рынке производства солнечных и аккумуляторных батарей для нужд космической отрасли - гражданской и военной. Вся прибыль, которую получает «Сатурн», остается здесь, в Краснодаре, и идет на развитие производственной базы.

Итак, всё начинается здесь - на участке т.н. газофазной эпитаксии. В этом помещении стоит газовый реактор, в котором на подложке из германия в течение 3 часов выращивается кристаллический слой, который будет служить основой для будущего фотоэлемента. Стоимость такой установки - около 3 млн евро:

После этого подложке предстоит пройти еще долгий путь: на обе стороны фотоэлемента нанесут электрические контакты (причем, на рабочей стороне контакт будет иметь «рисунок-гребенку», размеры которой тщательно рассчитываются, чтобы обеспечить максимальное прохождение солнечного света), на подложке появится просветляющее покрытие и т.д. - всего более двух десятков технологических операций на различных установках, прежде чем фотоэлемент станет основой солнечной батареи.

Вот, например, установка фотолитографии . Здесь на фотоэлементах формируются «рисунки» электрических контактов. Машина производит все операции автоматически, по заданной программе. Здесь и свет соответствующий, который не вредит светочувствительному слою фотоэлемента - как раньше, в эпоху аналоговой фотографии, мы пользовались «красными» лампами^

В вакууме установки напыления с помощью электронного луча наносятся электрические контакты и диэлектрики, а также наносятся просветляющие покрытия (они увеличивают ток, вырабатываемый фотоэлементом на 30%):

Ну вот, фотоэлемент готов и можно приступать к сборке солнечной батареи. К поверхности фотоэлемента припаиваются шины, чтобы потом соединить их друг с другом, а на них наклеивается защитное стекло, без которого в космосе, в условиях радиации, фотоэлемент может не выдержать нагрузок. И, хотя толщина стекла всего 0.12 мм, батарея с такими фотоэлементами будет долго работать на орбите (на высоких орбитах больше 15 лет).

Электрическое соединение фотоэлементов между собой осуществляется серебряными контактами (их называют шинками) толщиной всего 0.02 мм.

Чтобы получить нужное напряжение в сети, вырабатываемое солнечной батареей, фотоэлементы соединяются последовательно. Вот так выглядит секция последовательно соединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей - так правильно):

Наконец, солнечная батарея собрана. Здесь показана только часть батареи - панель в формате макета. Таких панелей на спутнике может быть до восьми, в зависимости от того, какая нужна мощность. На современных спутниках связи она достигает 10 кВт. Панели будут смонтированы на спутнике, в космосе они раскроются, как крылья и с их помощью мы будем смотреть спутниковое телевидение, пользоваться спутниковым интернетом, навигационными системами (спутники «Глонасс» используют краснодарские солнечные батареи):

Когда космический аппарат освещается Солнцем, вырабатываемая солнечной батареей электроэнергия питает системы аппарата, а избыток энергии запасается в аккумуляторной батарее. Когда космический аппарат находится в тени от Земли, аппаратом используется электроэнергия, запасенная в аккумуляторной батарее. Никель-водородная батарея , обладая высокой энергоемкостью (60 Вт ч/кг) и практически неисчерпаемым ресурсом, широко используется на космических аппаратах. Производство таких батарей - еще одна часть работы завода «Сатурн».

На этом снимке сборку никель-водородной аккумуляторной батареи производит кавалер медали ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени Анатолий Дмитриевич Панин:

Участок сборки никель-водородных аккумуляторов. Начинка аккумулятора подготавливается к размещению в корпусе. Начинка - это положительные и отрицательные электроды, разделённые сепараторной бумагой - в них и происходит преобразование и накопление энергии:

Установка для электронно-лучевой сварки в вакууме с помощью которой изготавливается корпус аккумулятора из тонкого металла:

Участок цеха, где корпуса и детали аккумуляторов испытываются на воздействие повышенного давления. В связи с тем, что накопление энергии в аккумуляторе сопровождается образованием водорода, и давление внутри аккумулятора повышается, испытания на герметичность - неотъемлемая часть процесса изготовления аккумуляторов:

Корпус никель-водородного аккумулятора - очень важная деталь всего устройства, работающего в космосе. Корпус рассчитан на давление 60 кг·с/см 2 , при испытаниях разрыв произошел при давлении 148 кг·с/см 2:

Проверенные на прочность аккумуляторы заправляют электролитом и водородом, после чего они готовы к работе:

Корпус никель-водородной аккумуляторной батареи изготавливается из специального сплава металлов и должен быть механически прочным, легким и обладать высокой теплопроводностью. Аккумуляторы устанавливаются в ячейки и между собой не соприкасаются:

Аккумуляторы и собранные из них батареи подвергаются электрическим испытаниям на установках собственного производства. В космосе уже невозможно будет ничего поправить и заменить, поэтому здесь тщательно испытывают каждое изделие.

Вся космическая техника подвергается испытаниям на механические воздействия с помощью вибрационных стендов, которые имитируют нагрузки при выведении космического аппарата на орбиту.

В целом завод «Сатурн» произвел самое благоприятное впечатление. Производство хорошо организовано, цеха чистые и светлые, народ работает квалифицированный, общаться с такими специалистами - одно удовольствие и очень интересно человеку, хоть в какой-то степени интересующемуся нашим космосом. Уезжал с «Сатурна» в отличном настроении - всегда приятно посмотреть у нас на место, где не занимаются пустой болтовней и не перекладывают бумажки, а делают настоящее, серьезное дело, успешно конкурируют с такими же производителями в других странах. Побольше бы в России такого.

На днях в Колорадо прошла конференция «Новое поколение суборбитальных исследователей» , на которой обсуждались, в частности, проекты строительства космических солнечных станций. И если раньше подобные идеи никто всерьез не воспринимал, то сейчас они действительно близки к реализации.

Так, Конгресс США готовит план постепенного перехода Америки от ископаемого топлива на космическую энергетику. За внедрение проекта будет отвечать специально созданный департамент космоса, активную роль в его работе будут играть NASA, министерство энергетики и другие организации.

До октября нынешнего года министерство юстиции должно представить Конгрессу все необходимые изменения и дополнения к действующему федеральному законодательству, чтобы начать строительство космических солнечных электростанций. В рамках программы на начальном этапе планируется разработать системы ядерных космических двигателей, чтобы применять корабли многоразового использования для космической логистики и строительства гелиоустановок на орбите.

В активной разработке также технологии, позволяющие преобразовать солнечный свет в электричество и телепортировать его на Землю.

В частности, специалисты Калифорнийского технологического института предлагают освещать планету с помощью орбитальных «ковров-самолетов». Это системы из 2 500 панелей толщиной 25 мм и длиной в 2/3 футбольного поля. Элементы такой станции будут доставлять на орбиту ракеты вроде Space Launch System — американской сверхтяжелой ракеты-носителя, разрабатываемой NASA. Космическая электростанция создается в рамках SSPI (Space Solar Power Initiative) — партнерского проекта Калифорнийского технологического университета и компании Northrup Grumman. Последняя инвестировала $17,5 млн, чтобы в течение предстоящих трех лет разработать основные компоненты системы. Инициативу также поддержали исследователи в лаборатории Jet Propulsion в NASA.

По словам профессора Калифорнийского технологического университета Гарри Этуотера , возглавившего Space Solar Power Initiative, «ковры-самолеты» преобразуют солнечную энергию в радиоволны и отправляют их на землю. Энергия будет передаваться по принципу фазированной решетки, которая используется в радарных системах. Это позволит создавать поток, движущийся в любом направлении.

Солнечные панели состоят из плиток, размером 10х10 см и весом около 0,8 г, что обеспечит сравнительно невысокую стоимость запуска конструкции. Каждая плитка станет передавать преобразованную энергию автономно и если одна из них выйдет из строя, остальные будут продолжать работать. Потеря нескольких элементов из-за солнечных вспышек или мелких метеоритов не нанесет вреда электростанции. По расчетам ученых, при массовом производстве стоимость электричества от такого источника будет меньше, чем при использовании угля или природного газа.

Процент наземных солнечных установок в общем балансе энергообеспечения многих стран мира становится все выше. Но возможности таких электростанций ограничены: по ночам и при сильной облачности солнечные батареи утрачивают способность вырабатывать электричество. Поэтому идеальный вариант — разместить гелиоэлектростанции на орбите, где день не сменяется ночью, а облака не создают преград между Солнцем и панелями. Главным преимуществом постройки электростанции в космосе является ее потенциальная эффективность. Солнечные батареи, расположенные в космосе, могут генерировать энергии в десять раз больше батарей, размещенных на поверхности Земли.

Идея орбитальных электростанций разрабатывалась давно, ученые из NASA и Пентагона занимаются подобными исследованиями еще с 60-х годов. Ранее воплощение подобных проектов тормозила высокая стоимость транспортировки, но с развитием технологий космические электростанции могут в обозримом будущем стать реальностью.

Уже есть несколько интересных проектов по строительству солнечных установок на орбите. Кроме Space Solar Power Initiative, американцы разрабатывают орбитальную солнечную панель, которая будет поглощать солнечное излучение и передавать электронные пучки с помощью радиоволн на земной ресивер. Авторами разработки стали специалисты из научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Они построили компактный солнечный модуль, на одной стороне которого оборудована фотовольтаическая панель. Внутри панели установлена электроника, преобразующая прямой ток в радиочастоту для передачи сигнала, другая сторона поддерживает антенну для передачи электронных пучков на Землю.

По словам ведущего автора разработки Поля Джаффе, чем ниже частота электронного пучка, несущего энергию, тем более надежной будет ее передача в плохую погоду. А при частоте 2.45 ГГц, можно получать энергию даже в сезон дождей. Солнечный ресивер обеспечит энергией все военные операции, о дизельных генераторах можно будет навсегда забыть.

США не единственная страна, которая планирует получать электроэнергию из космоса. Жесткая борьба за традиционные энергетические ресурсы заставила многие государства искать альтернативные источники энергии.

Японское агентство по освоению космоса JAXA разработало для установки на орбите Земли фотоэлектрическую платформу. Собранная с помощью установки солнечная энергия станет поступать на приемные станции Земли и преобразовываясь в электричество. Сбор солнечной энергии будет вестись на высоте 36 тыс. км.

Такая система, состоящая из серии наземных и орбитальных станций, должна начать работать уже в 2030 г., ее общая мощность составит 1 ГВт, что сопоставимо со стандартной атомной электростанцией. Для этого в Японии планируется построить искусственный остров длиной 3 км, на котором развернут сеть из 5 млрд антенн для преобразования в электричество радиоволн сверхвысоких частот. Возглавивший разработку научный сотрудник JAXA Сусуми Сасаки уверен, что размещение солнечных аккумуляторов в космосе приведет к революции в энергетике, позволив со временем полностью отказаться от традиционных источников энергии.

Аналогичные планы есть и у Китая, который построит на орбите Земли солнечную электростанцию размером больше, чем Международная космическая станция. Общая площадь солнечных панелей установки составит 5-6 тыс. кв. км. Согласно расчетам экспертов такая станция станет собирать солнечные лучи 99% времени, причем космические гелиопанели смогут генерировать в 10 раз больше электричества на единицу площади, чем наземные аналоги. Предполагается, что для передачи на наземный коллектор вырабатываемая электроэнергия будет преобразовываться в микроволны или лазерный луч. Начало строительства запланировано на 2030 г., стоимость проекта составит около $1 трлн.

Мировые инженеры оценивают возможности строительства солнечных космических электростанций не только на орбите, но и в областях, более близких к Солнцу, возле Меркурия. В этом случае солнечных батарей потребуется почти в 100 раз меньше. При этом приемные устройства можно вынести с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

Разрабатываются также проекты лунных солнечных электростанций.

К примеру, японская компания Shimizu предложила создать пояс из солнечных батарей, протянутый по всему экватору Луны на 11 тыс. км и шириной 400 км.

Его разместят на обратной стороне спутника Земли, чтобы система постоянно находилась под солнечными лучами. Связать панели можно будет при помощи обычных силовых кабелей или оптических систем. Генерируемое электричество планируется передавать при помощи больших антенн, а получать при помощи специальных ресиверов на Земле.

В теории проект выглядит прекрасно, остается придумать, как доставить сотни тысяч панелей на спутник Земли и там их установить, а так же как доставлять энергию с Луны на нашу планету, не потеряв по пути значительную ее часть: ведь придется преодолеть 364 тыс. км. Так что идеи создания лунных электростанций слишком далеки от реальности и если они и реализуются, то очень нескоро.

Татьяна Громова

Аккумуляторы и солнечные батареи,солнечные батареи, альтернативная энергия, энергия солнца

На первых спутниках Земли аппаратура потребляла относительно небольшие мощности тока и время работы ее было очень непродолжительным. Поэтому в качестве первых космических источников энергии успешно применялись обыкновенные аккумуляторы .

Как известно, на самолете или автомобиле аккумулятор является вспомогательным источником тока и работает совместно с электромашинным генератором, от которого периодически подзаряжается.

Основными достоинствами аккумуляторов являются их высокая надежность и отличные эксплуатационные качества. Существенный недостаток аккумуляторных батарей заключается в большом весе при малой энергоемкости. Например, серебряно-цинковая батарея при емкости 300 а-ч весит около 100 кг . Это означает, что при мощности тока 260 вт (нормальное потребление на обитаемом спутнике «Меркурий») такая батарея будет работать менее двух суток. Удельный вес батареи, характеризующий весовое совершенство источника тока, составит около 450 кг/квт.

Поэтому аккумулятор как автономный источник тока применялся в космосе до сих пор лишь при небольших потребляемых мощностях (до 100 вт) при сроке службы несколько десятков часов.

Для больших автоматических спутников Земли, насыщенных разнообразным оборудованием, потребовались более мощные и легкие источники тока с весьма продолжительным сроком действия — до нескольких недель и даже месяцев.

Такими источниками тока явились чисто космические генераторы — полупроводниковые фотоэлектрические элементы, работающие на принципе преобразования световой энергии солнечного излучения непосредственно в электричество. Эти генераторы называют солнечными батареями .

Мы уже говорили о мощности теплового излучения Солнца. Напомним, что за пределами земной атмосферы интенсивность солнечной радиации довольно значительна: поток энергии, падающей на поверхность перпендикулярную солнечным лучам, составляет 1340 вт на 1 м г. Эту энергию, а вернее, способность солнечной радиации создавать фотоэлектрические эффекты и используют в солнечных батареях. Принцип действия кремниевой солнечной батареи показан на рис. 30.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний. Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора. После облучения такой «вафли» солнечными лучами между слоями возникает поток электронов и образуется разность потенциалов, а во внешней цепи, соединяющей слои, появляется электрический ток.

Толщина кремниевого слоя требуется незначительная, но из-за несовершенства технологии она обычно бывает от 0,5 до 1 мм, хотя в создании тока принимает участие лишь около 2% толщины этого слоя. Поверхность одного элемента солнечной батареи по технологическим причинам получается очень небольшой, что требует последовательного соединения в цепь большого числа элементов.

Кремниевая солнечная батарея дает ток лишь тогда, когда на ее поверхность падают лучи Солнца, причем максимальный съем тока будет при перпендикулярном расположении плоскости батареи по отношению к солнечным лучам. Это означает, что при движении космического корабля или ОКС по орбите необходима постоянная ориентация батарей на Солнце. Батареи не будут давать тока в тени, поэтому их необходимо применять в сочетании с другим источником тока, например с аккумулятором. Последний будет служить не только накопителем, но и демпфером возможных колебаний в величине потребной энергии.

К.п.д. солнечных батарей невелик, он не превышает пока 11-13%. Это значит, что с 1 м 2 современных солнечных батарей снимается, мощность около 100-130 вт. Правда, есть возможности увеличения к.п.д. солнечных батарей (теоретически до 25%) за счет совершенствования их конструкции и улучшения качества полупроводникового слоя. Предлагается, например, накладывать две или несколько батарей одну на другую так, чтобы нижняя поверхность использовала ту часть спектра солнечной энергии, которую пропускает, не поглощая, верхний слой.

К.п.д. батареи зависит от температуры поверхности полупроводникового слоя. Максимальный к. п. д. достигается при 25°С, а при увеличении температуры до 300С к.п.д. уменьшается почти вдвое. Солнечные батареи выгодно применять, так же как аккумуляторы, для небольших потребляемых мощностей тока из-за большой площади их поверхности и высокого удельного веса. Для получения, например, мощности 3 квт требуется батарея, состоящая из 100 000 элементов с общим весом около 300 кг, т.е. при удельном весе 100 кг/квт. Такие батареи займут площадь более 30 м 2 .

Тем не менее солнечные батареи прекрасно зарекомендовали себя в космосе как достаточно надежный и стабильный источник энергии, способный работать очень длительное время.

Главную опасность для солнечных батарей в космосе представляют космическая радиация и метеорная пыль, вызывающие эрозию поверхности кремниевых элементов и ограничивающие срок службы батарей.

Для небольших обитаемых станций этот источник тока, видимо, будет оставаться единственно приемлемым и достаточно эффективным, но крупные ОКС потребуют иных источников энергии, более мощных и с меньшим удельным весом. При этом необходимо учесть трудности получения с помощью солнечных батарей переменного тока, который потребуется для больших научных космических лабораторий.

Фотографии и текст Рустема Адагамова

Проверенные на прочность аккумуляторы заправляют электролитом и водородом, после чего они готовы к работе:

Вконтакте

Фантастические электростанции

Не секрет, что в русле постоянной борьбы за более продуктивную, экологическую и дешевую энергию, человечество, все чаще, прибегает к помощи альтернативных источников получения драгоценной энергии. Во многих странах, достаточно обширное количество жителей определили для себя необходимостью использование солнечных модулей для снабжения жилища электроэнергией.

Часть из них пришли к такому выводу благодаря трудным расчетам по экономии материальных средств, а некоторых сделать такой ответственный шаг вынудили обстоятельства, одно из которых труднодоступное географическое положение, обуславливающее отсутствие надежных коммуникаций. Но не только в таких труднодоступных местах нужны солнечные батареи. Существуют рубежи намного отдаленнее, нежели край земли - это космос. Солнечная батарея в космосе является единственным источником выработки необходимого количества электроэнергии.

Основы космической солнечной энергетики

Идея применять солнечные батареи в космосе впервые появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников земли. В тот период, в СССР, профессор и специалист в области физики, особенно в сфере электричества - Николай Степанович Лидоренко, обосновал необходимость применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах. Такой энергией могла быть только энергия солнца, которая добывалась с помощью солнечных модулей.

В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счет солнечной энергии.

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 фотопласти н. Благодаря такому негативному влияния происходит изменение структуры солнечных элементов, что влечет снижение выработки электроэнергии.

Фантастические электростанции

В научных лабораториях всей земли, в настоящее время, происходит схожая задача - поиск бесплатной электроэнергии от солнца. Только не в масштабах отдельного дома или города, а в размерах всей планеты. Суть этой работы состоит в том, чтобы создать огромные по своим размерам, а соответственно и выработкам энергии, солнечные модули.

Площадь таких модулей огромна и размещение их на поверхности земли повлечет много трудностей, таких как:

значительные и свободные площади для установки приемников света,
влияние метеоусловий на и КПД модулей,
затраты на обслуживание и чистку солнечных панелей.

Все эти отрицательные аспекты исключают установку подобного монументального сооружения на земле. Но выход есть. Заключается он в установке гигантских солнечных модулей на околоземной орбите. При воплощении в жизнь такой идеи, человечество получает солнечный источник энергии, который всегда находится под воздействием солнечных лучей, никогда не потребует чистки от снега, и самое главное не будет занимать полезное пространство на земле.

Конечно же, тот, кто первым установит солнечные батареи для космоса, станет в будущем диктовать свои условия в мировой энергетике. Не секрет, что, запасы полезных ископаемых на нашей земле не просто не бесконечен, а наоборот с каждым днем напоминает о том, что скоро человечеству придется переходить на альтернативные источники в принудительном порядке. Именно поэтому, разработки космических солнечных модулей на земной орбите стоит в списке первоочередных задач энергетиков и специалистов, проектирующих электростанции будущего.

Проблемы размещения солнечных модулей на орбите земли

Трудности рождения таких электростанций, не только в установке, доставке и базировании солнечных модулей на околоземной орбите. Наибольшие проблемы вызывает передача, выработанной солнечными модулями, электрического тока потребителю, то есть на землю. Провода, конечно же, не протянешь, да и перевозить в контейнере не получится. Существуют почти нереальные технологии передачи энергии на расстояния без осязаемых материалов. Но такие технологии вызывают много противоречивых гипотез в научном мире.

Во первых , столь сильное излучение будет негативно влиять на обширную область приема сигнала, то есть будет происходить облучение значительного куска нашей планеты. А если таких космических станций со временем станет очень много? Это может привести к облучению всей поверхности планеты, результатом чего будут непредсказуемые последствия.

Во вторых негативным моментом может быть, частичное разрушение верхних слоев атмосферы и озонового слоя, в местах передачи энергии от электростанции к приемнику. Последствия такого рода, может предположить даже ребенок.

В довесок ко всему, существуют множество нюансов различного характера, увеличивающих отрицательные моменты, и отдаляющих момент запуска подобных устройств. Таких внештатных ситуаций может быть множество, от трудности ремонта панелей, в случае непредвиденной поломки или столкновения с космическим телом, до банальной проблемы - как утилизировать столь необычное сооружение, после окончания срока его эксплуатации.

Несмотря на все негативные моменты, деваться человечеству, как говориться, некуда. Солнечная энергия, на сегодняшний день, единственный источник энергии, который может в теории покрыть растущие потребности людей в электричестве. Ни один из существующих ныне источников энергии на земле, не может сравниться своими будущими перспективами с этим уникальным явлением.

Приблизительные сроки внедрения

Солнечная космическая электростанция давно перестала быть теоретическим вопросом. На 2040 год уже намечен первый пуск электростанции на земную орбиту. Конечно, это только пробная модель, и она далека от тех глобальных сооружений, которые планируются построить в дальнейшем. Суть такого запуска - посмотреть на практике - как будет работать такая электростанция в рабочих условиях. Страна, которая взяла на себя столь нелегкую миссию - Япония. Предполагаемая площадь батарей, теоретически, должна составить около четырех квадратных километров.

Если эксперименты покажут, что такое явление как солнечная электростанция может существовать, то основное направление солнечной энергетики получит четкий путь по освоению подобных изобретений. Если экономический аспект, не сможет остановить все дело на начальном этапе. Дело в том, что по теоретическим подсчетам, для того, чтобы вывести на орбиту полноценную солнечную электростанцию, необходимо более двухсот запусков грузовых ракетоносителей. К сведению, стоимость одного запуска тяжелого грузовика, исходя из существующей статистики, составляет примерно 0,5 - 1 миллиард долларов. Арифметика проста, и результаты ее не утешительны.

Получающаяся сумма огромна, и она пойдет только на доставку разобранных элементов на орбиту, а необходимо еще собрать весь конструктор.

Подводя итог всему сказанному, можно отметить, что создание космической солнечной электростанции дело времени, но построить такую конструкцию под силу исключительно сверхдержавам, которые смогут осилить весь груз экономического бремени от реализации процесса.