Vesmírná solární baterie zahraniční výroby. Ecowatt: Baterie a solární panely ve vesmíru. Kosmická loď mise "Měsíc"

Jedná se o fotovoltaické měniče – polovodičová zařízení, která přeměňují sluneční energii na stejnosměrný elektrický proud. Jednoduše řečeno, toto jsou základní prvky toho, čemu říkáme „solární panely“. S pomocí takových baterií fungují umělé družice Země na vesmírných drahách. Takové baterie se vyrábí zde v Krasnodaru - v závodě Saturn. Vedení závodu pozvalo autora tohoto blogu k nahlédnutí výrobní proces a řekněte si o tom ve svém deníku.

1. Podnik v Krasnodaru je součástí Federální kosmické agentury, ale Saturn je ve vlastnictví společnosti Ochakovo, která tuto výrobu v 90. letech doslova zachránila. Majitelé Ochakova vykoupili kontrolní podíl, který málem připadl Američanům. "Ochakovo" zde investovalo velké prostředky, koupil moderní vybavení, se podařilo udržet specialisty a nyní je „Saturn“ jedním ze dvou lídrů na ruském trhu výroby solárních a akumulačních baterií pro potřeby kosmického průmyslu – civilního i vojenského. Veškerý zisk, který Saturn obdrží, zůstává zde v Krasnodaru a jde do rozvoje výrobní základny.

2. Takže vše začíná zde - na stránkách tzv. epitaxe v plynné fázi. V této místnosti je plynový reaktor, ve kterém se na germaniovém substrátu tři hodiny pěstuje krystalická vrstva, která poslouží jako základ pro budoucí fotočlánek. Náklady na takovou instalaci jsou asi tři miliony eur.

3. Poté má substrát před sebou ještě dlouhou cestu: elektrické kontakty budou přiloženy na obě strany fotobuňky (navíc na pracovní straně bude mít kontakt „hřebenový vzor“, jehož rozměry jsou pečlivě počítáno tak, aby byla zajištěna maximální propustnost slunečního záření), na krytině podkladu se objeví antireflex atd. - více než dvě desítky technologických operací celkem na různých instalacích, než se fotočlánek stane základem solární baterie.

4. Například nastavení fotolitografie. Zde se na fotobuňkách vytvářejí „vzorce“ elektrických kontaktů. Stroj provádí všechny operace automaticky, podle daného programu. Zde je vhodné světlo, které nepoškozuje fotocitlivou vrstvu fotobuňky - stejně jako dříve, v éře analogové fotografie, jsme používali "červené" lampy.

5. Ve vakuu depoziční jednotky se pomocí elektronového paprsku nanášejí elektrické kontakty a dielektrika a nanášejí antireflexní vrstvy (zvyšují proud generovaný fotočlánkem o 30 %).

6. Fotobuňka je připravena a můžete začít s montáží solární baterie. Na povrch fotobuňky se připájejí pneumatiky, aby se následně spojily, a nalepí se na ně ochranné sklo, bez kterého v prostoru, za radiačních podmínek, fotobuňka nemusí vydržet zatížení. A přestože je tloušťka skla pouze 0,12 mm, baterie s takovými fotočlánky bude na oběžné dráze fungovat dlouhou dobu (na vysokých drahách déle než patnáct let).

7. Elektrické propojení fotobuněk mezi sebou je provedeno stříbrnými kontakty (říká se jim sběrnice) o tloušťce pouhých 0,02 mm.

8. Pro získání požadovaného napětí v síti, generovaného solární baterií, jsou fotočlánky zapojeny do série. Takto vypadá sekce sériově zapojených fotovoltaických článků (fotovoltaické konvertory - je to tak).

9. Nakonec je solární panel smontován. Zde je zobrazena pouze část baterie - panel ve formátu rozložení. Na satelitu může být až osm takových panelů v závislosti na potřebě výkonu. Na moderních komunikačních satelitech dosahuje 10 kW. Takové panely se namontují na satelit, v prostoru se rozvinou jako křídla a s jejich pomocí budeme sledovat satelitní TV, používat satelitní internet, navigační systémy (satelity Glonass používají Krasnodar solární panely).

10. Když je kosmická loď osvětlena Sluncem, elektřina generovaná solární baterií napájí systémy kosmické lodi a přebytečná energie se ukládá do baterie. Když je kosmická loď ve stínu Země, využívá elektřinu uloženou v baterii. Nikl-vodíková baterie s vysokou energetickou kapacitou (60 W h / kg) a téměř nevyčerpatelným zdrojem je široce používána v kosmických lodích. Výroba takových baterií je další součástí práce Saturnovy elektrárny.

Na této fotografii montáž nikl-vodíkové baterie provádí držitel medaile Řádu za zásluhy o vlast, II. stupně, Anatoly Dmitrievich Panin.

10a

11. Místo pro montáž nikl-vodíkových baterií. Výplň baterie je připravena pro umístění do pouzdra. Výplň tvoří kladné a záporné elektrody oddělené separačním papírem – právě v nich dochází k přeměně a akumulaci energie.

12. Instalace pro svařování elektronovým paprskem ve vakuu, pomocí které je vyrobeno pouzdro baterie tenký kov.

13. Úsek prodejny, kde jsou tělesa a části akumulátorů zkoušeny na vysoký tlak.
Vzhledem k tomu, že akumulace energie v baterii je doprovázena tvorbou vodíku a tlak uvnitř baterie stoupá, je testování těsnosti nedílnou součástí procesu výroby baterie.

14. Tělo nikl-vodíkové baterie je velmi důležitou součástí celého zařízení fungujícího ve vesmíru. Těleso je navrženo pro tlak 60 kg · s / cm 2, během zkoušek došlo k prasknutí při tlaku 148 kg · s / cm 2.

15. Testované baterie jsou naplněny elektrolytem a vodíkem a poté jsou připraveny k použití.

16. Tělo nikl-vodíkové baterie je vyrobeno ze speciální slitiny kovů a musí být mechanicky pevné, lehké a mít vysokou tepelnou vodivost. Baterie jsou instalovány v článcích a vzájemně se nedotýkají.

17. Baterie a baterie z nich sestavené jsou elektricky testovány v instalacích vlastní výroba... Ve vesmíru již nebude možné nic opravit ani vyměnit, proto je zde každý produkt důkladně testován.

17a

17b

18. Veškerá kosmická technika je testována na mechanické namáhání pomocí vibračních stojanů, které simulují zatížení při startu kosmické lodi na oběžnou dráhu.

18a

19. Obecně vzato, rostlina Saturn udělala nejpříznivější dojem. Výroba je dobře organizovaná, dílny čisté a světlé, lidé kvalifikovaní, komunikace s takovými specialisty je pro člověka, alespoň do určité míry zajímajícího se o náš prostor, radost a velmi zajímavá. Nechal jsem "Saturn" pro skvělá nálada- je vždy příjemné podívat se u nás, kde se nezapojují do nečinného žvanění a nepřesouvají papíry, ale dělají skutečný, seriózní obchod, úspěšně konkurují stejným výrobcům v jiných zemích. V Rusku by toho bylo víc.

Fotografie: © drugoi

P.S. Blog viceprezidenta marketingu ve společnosti Ochakovo

Solární panely jsou často poměrně velké, takže je obtížné najít druh nemovitostí, na které je umístit. Vyvinula se švýcarská společnost nový přístup a našla své vlastní způsoby, jak tento problém vyřešit. Společnost uvádí na trh plovoucí ostrov pokrytý solárními panely na jezeře Neuchâtel. Každý ze tří plánovaných ostrovů o průměru 25 metrů bude moci hostit 100 fotovoltaických panelů, které budou fungovat v průběhu příštích 25 let. Ostrovy budou sloužit i pro výzkumné účely.

V poslední době se lodní společnosti stále častěji uchylují k využívání intenzivních solární energie umístění solárních panelů na palubu. Solární panely lodi byly poprvé nasazeny v Šanghaji v roce 2010. Loď byla vybavena obrovským solárním panelem vyrobeným ve formě plachty. Na stejném principu je založena i jachta Turanor PlanetSolar, která nedávno dokončila obeplutí světa pomocí solární energie.

Solární panely na obloze

Rok 2013 byl rekordní pro použití solárních panelů jako zdroje energie pro letadla. Společnost Solar Impulse vyvinula nejdelší letadlo na světě na solární pohon. Letadlo letělo přes Ameriku letos v létě.

Samozřejmě létat na solární energii, zatím mohou jen malí, bezpilotní letadla... Solární panely značně usnadňují stavbu dronů a prodlužují dobu jejich možného pobytu ve vzduchu.

Jedním z příkladů využití solárních panelů ve vzduchu je výtah umístěný vysoko v horách, který je schopen vynést lidi na vrchol hory pomocí solární energie.

Solární panely ve vesmíru

Výzkumníci z Carnegie Mellon University vytvořili prototyp průzkumného roveru, který se v budoucnu plánuje poslat na Měsíc na raketě SpaceX. Zařízení nazvané Polaris je výhradně na solární pohon. Polaris bude sloužit ke studiu polárních lunárních šířek. Rover je vybaven speciálem software což mu pomůže pracovat v tmavších oblastech satelitu.

Pravděpodobně jste také slyšeli o velkém množství vesmírného odpadu na oběžné dráze. Bylo by hezké obnovit tyto satelity a vrátit je na Zemi k opravě a dalšímu návratu na oběžnou dráhu. Tato myšlenka tvořila základ nový koncept Solara, solární zařízení nevyžadující žádnou trvalou opravu. Atmosférický satelit vyvinutý společností Titan Aerospace. Solara byla schopna fungovat v nejvyšší atmosféře již pět po sobě jdoucích let.

Nejnovější a nejambicióznější nadějí je projekt japonské firmy, která plánuje postavit pole solárních článků kolem rovníku Měsíce a poté vypustit paprsek energie zpět na Zemi. Vytvoření „Prstenu Měsíce“ bude trvat asi 30 let. Podle specialistů společnosti bude lunární prsten generovat až 13 000 TW (terawattů) konstantní energie.

Tato polovodičová zařízení přeměňují sluneční energii na stejnosměrný proud. Jednoduše řečeno, toto jsou základní prvky toho, čemu říkáme „solární panely“. S pomocí takových baterií fungují umělé družice Země na vesmírných drahách. Takové baterie se vyrábí zde v Krasnodaru - v závodě Saturn. Jedeme tam na exkurzi.

Podnik v Krasnodaru je součástí Federální vesmírné agentury, Saturn je ale ve vlastnictví společnosti Ochakovo, která tuto výrobu v 90. letech doslova zachránila. Majitelé Ochakova vykoupili kontrolní podíl, který málem připadl Američanům.

Byly zde investovány velké finanční prostředky a zakoupeno moderní vybavení a nyní je Saturn jedním ze dvou lídrů na ruském trhu výroby solárních a akumulačních baterií pro potřeby kosmického průmyslu – civilního i vojenského. Veškerý zisk, který Saturn obdrží, zůstává zde v Krasnodaru a jde do rozvoje výrobní základny.

Vše tedy začíná zde – na stránkách tzv. epitaxe v plynné fázi. V této místnosti je plynový reaktor, ve kterém se na germaniovém substrátu po dobu 3 hodin pěstuje krystalická vrstva, která poslouží jako základ pro budoucí fotobuňku. Náklady na takovou instalaci jsou asi 3 miliony eur:

Poté má substrát před sebou ještě dlouhou cestu: elektrické kontakty budou aplikovány na obě strany fotobuňky (navíc na pracovní straně bude mít kontakt „hřebenový vzor“, jehož rozměry jsou pečlivě vypočítány tak, aby zajistit maximální propustnost slunečního záření), na podkladu se objeví antireflexní vrstva atp. - více než dvě desítky technologických operací celkem na různých instalacích, než se fotočlánek stane základem solární baterie.

Například, instalace fotolitografie... Zde se na fotobuňkách vytvářejí „vzorce“ elektrických kontaktů. Stroj provádí všechny operace automaticky, podle daného programu. Zde je odpovídající světlo, které nepoškozuje fotocitlivou vrstvu fotobuňky - stejně jako dříve, v éře analogové fotografie jsme používali "červené" lampy ^

Ve vakuu depoziční jednotky se pomocí elektronového paprsku nanášejí elektrické kontakty a dielektrika a nanášejí antireflexní vrstvy (zvyšují proud generovaný fotočlánkem o 30 %):

Fotobuňka je připravena a můžete začít s montáží solární baterie. Na povrch fotobuňky se připájejí pneumatiky, aby se následně spojily, a nalepí se na ně ochranné sklo, bez kterého v prostoru, za radiačních podmínek, fotobuňka nemusí vydržet zatížení. A přestože je tloušťka skla pouze 0,12 mm, baterie s takovými fotočlánky bude na oběžné dráze fungovat dlouhou dobu (na vysokých drahách déle než 15 let).

Elektrické propojení fotobuněk mezi sebou je provedeno stříbrnými kontakty (říká se jim sběrnice) o tloušťce pouhých 0,02 mm.

Solární články jsou zapojeny do série pro získání požadovaného napětí v síti, generovaného solární baterií. Takto vypadá sekce sériově zapojených fotovoltaických článků (fotovoltaické konvertory - je to tak):

Nakonec je solární panel smontován. Zde je zobrazena pouze část baterie - panel ve formátu rozložení. Na satelitu může být až osm takových panelů v závislosti na potřebě výkonu. Na moderních komunikačních satelitech dosahuje 10 kW. Panely budou namontovány na satelit, v prostoru se rozvinou jako křídla a s jejich pomocí budeme sledovat satelitní televizi, používat satelitní internet, navigační systémy (satelity Glonass využívají solární baterie Krasnodar):

Když je kosmická loď osvětlena sluncem, elektřina generovaná solární baterií napájí systémy kosmické lodi a přebytečná energie se ukládá do baterie. Když je kosmická loď ve stínu Země, využívá elektřinu uloženou v baterii. Nikl vodíková baterie, mající vysokou energetickou náročnost (60 W h / kg) a téměř nevyčerpatelné zdroje, je široce používán v kosmických lodích. Výroba takových baterií je další součástí práce Saturnovy elektrárny.

Na této fotografii montáž nikl-vodíkové baterie provádí držitel medaile Řádu za zásluhy o vlast, II. stupně, Anatoly Dmitrievich Panin:

Místo pro montáž nikl-vodíkových baterií. Výplň baterie je připravena pro umístění do pouzdra. Výplň tvoří kladné a záporné elektrody, oddělené separačním papírem - v nich dochází k přeměně a akumulaci energie:

Instalace pro svařování elektronovým paprskem ve vakuu, se kterým je pouzdro baterie vyrobeno z tenkého kovu:

Část dílny, kde se testují pláště a části akumulátorů na vysoký tlak. Vzhledem k tomu, že akumulace energie v baterii je doprovázena tvorbou vodíku a tlak uvnitř baterie stoupá, je testování těsnosti nedílnou součástí procesu výroby baterie:

Pouzdro nikl-vodíkové baterie je velmi důležitou součástí celého zařízení fungujícího ve vesmíru. Pouzdro je dimenzováno na tlak 60 kg s/cm 2, při zkouškách k prasknutí došlo při tlaku 148 kg s/cm 2:

Osvědčené baterie jsou naplněny elektrolytem a vodíkem a poté jsou připraveny k použití:

Plášť nikl-vodíkové baterie je vyroben ze speciální slitiny kovů a musí být mechanicky pevný, lehký a musí mít vysokou tepelnou vodivost. Baterie jsou instalovány v článcích a vzájemně se nedotýkají:

Baterie a baterie z nich sestavené jsou elektricky testovány ve vlastních výrobních provozech. Ve vesmíru již nebude možné nic opravit ani vyměnit, proto je zde každý produkt důkladně testován.

Veškerá kosmická technika je podrobena mechanickým zátěžovým testům pomocí vibračních stojanů, které simulují zatížení při startu kosmické lodi na oběžnou dráhu.

Celkově vzato, rostlina Saturn udělala nejpříznivější dojem. Výroba je dobře organizovaná, dílny čisté a světlé, lidé kvalifikovaní, komunikace s takovými specialisty je pro člověka, alespoň do určité míry zajímajícího se o náš prostor, radost a velmi zajímavá. Ze Saturn jsem odcházel ve výborné náladě - je vždy příjemné se podívat u nás, kde se nepouštějí do nečinného tlachání a nepřehazují papíry, ale dělají opravdovou seriózní věc, úspěšně konkurují stejným výrobcům v jiných zemích. V Rusku by toho bylo víc.

Ruská společnost Space Systems Holding (RCS, součást Roskosmosu) dokončila vytvoření modernizovaného systému elektrické ochrany pro solární baterie domácí výroby. Jeho aplikace výrazně prodlouží životnost napájecích zdrojů kosmických lodí a učiní ruské solární baterie jedny z energeticky nejúčinnějších na světě. O vývoji informuje tisková zpráva, kterou redakce obdržela.

Konstrukce nových diod využívá patentovaný technická řešení, které výrazně zlepšily své provozní vlastnosti a zvýšily jejich spolehlivost. Použití speciálně vyvinuté vícevrstvé dielektrické izolace krystalu tedy umožňuje diodě odolat zpětnému napětí až 1,1 kilovoltu. Díky tomu lze novou generaci ochranných diod použít s nejúčinnějšími dostupnými fotovoltaickými konvertory (PEC). Dříve, když byly diody nestabilní vůči vysokému zpětnému napětí, bylo nutné vybrat ne nejúčinnější vzorky.

Pro zvýšení spolehlivosti a životnosti diod RKS vytvořila nové vícevrstvé spínací sběrnice diod na bázi molybdenu, díky kterým diody odolávají více než 700 tepelným šokům. Tepelný šok je typická situace pro fotobuňky ve vesmíru, kdy se při přechodu z osvětlené části oběžné dráhy do zastíněné Zemí během pár minut změní teplota o více než 300 stupňů Celsia. Standardní součásti pozemských solárních baterií to nevydrží a zdroj vesmírných je do značné míry dán počtem tepelných šoků, které mohou přežít.

Aktivní životnost solární baterie kosmické lodi vybavené novými diodami se zvýší na 15,5 roku. Dioda může být uložena na Zemi dalších 5 let. Tedy generál záruční doba provoz diod nové generace je 20,5 roku. Vysokou spolehlivost zařízení potvrzují nezávislé testy životnosti, při kterých diody vydržely více než sedm tisíc tepelných cyklů. Vyvinutá technologie skupinové výroby umožňuje RKS vyrábět více než 15 tisíc diod nové generace ročně. Jejich dodávky by měly začít v roce 2017.

Nové fotobuňky vydrží až 700 poklesů teploty o 300 stupňů Celsia a budou schopny pracovat ve vesmíru více než 15 let

Solární baterie do vesmíru se skládají z fotovoltaických konvertorů (FV) o rozměrech 25x50 milimetrů. Plocha solárních panelů může dosáhnout 100 metrů čtverečních(pro orbitální stanice), takže v jednom systému může být hodně FEP. RVP jsou uspořádány v řetězcích. Každý jednotlivý řetězec se nazývá "řetězec". Ve vesmíru na jednotlivé solární články periodicky dopadá kosmické záření, a pokud by neměly žádnou ochranu, pak by mohla selhat celá solární baterie, ve které se postižený konvertor nachází.

Základ systému ochrany solárních baterií tvoří diody - malá zařízení instalovaná v setu se solárním článkem. Když solární baterie částečně nebo úplně spadne do stínu, solární články, místo aby dodávaly proud do baterií, jej začnou spotřebovávat - solárními články protéká zpětné napětí. Aby k tomu nedocházelo, je na každém FEP instalována bočníková dioda a na každém "řetězci" je instalována blokovací dioda. Čím účinnější je FEP, čím větší proud produkuje, tím větší bude zpětné napětí, když solární baterie spadne do stínu Země.

Pokud bočníková dioda "nevytáhne" zpětné napětí nad určitou hodnotu, bude nutné snížit účinnost FV článků, aby byl minimální dobíjecí proud baterií i zpětný proud nežádoucího vybití. Když časem pod vlivem destabilizačních faktorů vesmíru selžou jednotlivé solární články nebo okamžitě "struna", takové prvky jsou jednoduše odříznuty, aniž by to ovlivnilo fungující solární články a další "strunu". To umožňuje zbývajícím, stále provozuschopným, převodníkům pokračovat v práci. Na kvalitě diod tedy závisí energetická účinnost a aktivní životnost solární baterie.

V SSSR se na solárních bateriích používaly pouze blokovací diody, které v případě poruchy jednoho FEP okamžitě vypnuly celý řetězec měničů. Kvůli tomu byla degradace solárních článků na sovětských satelitech rychlá a nefungovaly příliš dlouho. To vedlo k nutnosti vyrábět a uvádět zařízení na jejich častější výměnu, což bylo velmi nákladné. Od 90. let 20. století se při vytváření domácích kosmických lodí používají FEP zahraniční výroby, které byly zakoupeny kompletní s diodami. Situace se obrátila až v 21. století.