Solarne ploče za prostor. Ecowatt: Baterije i solarni paneli u svemiru. Stvaranje solarnih ćelija na bazi monokristalnog silicija

Izum se odnosi na raketnu i svemirsku tehnologiju, naime na strukturne elemente solarnih baterija za svemirske letjelice. Ploča nosača solarne baterije svemirskog broda sastoji se od okvira i gornjeg i donjeg postolja nosača. Punilo u obliku saća hermetički je ugrađeno između spomenutih podnožja i okvira, a noseće pregrade okomite su na podnožja. Za međusobnu komunikaciju unutarnjih volumena saća, svaka od inačica izuma predviđa izvedbu drenažnih rupa na bočnim površinama svakog saća agregata i pregrada sile. Za komunikaciju unutarnjih volumena saća s vanjskim okolišem, prva izvedba izuma predviđa izvedbu drenažnih rupa u najmanje jednom elementu okvira, druga izvedba izuma predviđa izvedbu drenažnih rupa u donjem dnu ploče ravnomjerno po njezinoj površini, a treća izvedba izuma predviđa izvedbu odvodnih rupa najmanje izmjerite u jednom elementu okvira i u donjem dnu ploče ravnomjerno preko njegove površine. U ovom slučaju, ukupne površine odvodnih rupa u spomenutim strukturnim elementima noseće ploče određuju se uzimajući u obzir ukupni volumen plinovitog medija u saću, brzine protoka drenažnih rupa i maksimalnu razliku tlaka plinovitog medija koji djeluje na podnožje ploče duž puta leta nosača. Izum omogućuje povećanje strukturne čvrstoće nosećih solarnih panela svemirske letjelice bez povećanja njihove mase, pojednostavljenje tehnologije proizvodnje i ugradnje ploča i povećanje pouzdanosti njihovog rada. 3 n.p. na kraju, 4 dwg

Izum se odnosi na područje aerogasinamike zrakoplova i može se koristiti u raketnoj tehnici u projektiranju i izradi solarnih panela (SB) svemirskih letjelica (SC), izrađenih prema troslojnoj shemi nosača.

Poznate i široko korištene u zrakoplovstvu u proizvodnji zrakoplovnih elemenata (trup, zida, krila, itd.) Ploče izrađene prema troslojnoj shemi ležaja, sadrže okvir (okvir), koji nosi gornju i donju podnožju, između kojih je ugrađeno punilo u obliku saća.

Dizajnirani za percepciju i prijenos raspodijeljenih tereta koji djeluju na elemente zrakoplova, paneli izrađeni prema troslojnoj shemi s jezgrom saća pružaju veću krutost i visoku nosivost. Kada je ploča opterećena, kruta i lagana jezgra saća apsorbira poprečni smicanje i štiti tanke nosive slojeve od izvijanja pri uzdužnoj kompresiji.

Nedostaci ovog tehničkog rješenja uključuju povećanu težinu elemenata okvira i nosećih podloga ploča zbog značajnih padova pritiska koji djeluju na elemente panela duž puta leta zrakoplova kada se promijeni visina leta zrakoplova.

Poznat u raketnim znanstvenim pločama SB KA, namijenjenim za ugradnju osjetljivih elemenata (fotoelektričnih pretvarača) sustava napajanja KA. Paneli su također izrađeni prema troslojnoj shemi ležaja i sadrže okvir koji nosi gornju i donju podnožju, između kojih je hermetički ugrađeno punilo u obliku saća, kao i energetske pregrade, hermetički postavljene okomito na osnove kako bi se povećala krutost panela. Kako bi se smanjila težina strukture SB ploča, okvir, nosači i pregrade izrađeni su od laganih materijala.

Paneli za nošenje SB KA koji se koriste u raketnoj industriji, kao i paneli koji se koriste u zrakoplovstvu, pružaju veću krutost i visoku nosivost troslojne strukture SB panela sa saćastim punilom.

Nedostaci ovog tehničkog rješenja uključuju smanjenu strukturnu čvrstoću nosivih ploča SB i mogućnost gubitka njegove opće i lokalne stabilnosti u slučaju odstupanja u tehnologiji izrade i rada ploča, zbog značajnijih aerogasinamičkih opterećenja koja djeluju na elemente SC SB ploča, u odnosu na zrakoplovna opterećenja. U ovom slučaju, vanjski tlak koji djeluje na SC ploču duž putanje leta rakete-nosača (LV) varira u širem rasponu: od atmosferskog (na razini Zemlje pri lansiranju LV-a) do praktički nule pri lansiranju u međuplanetarni prostor i tlaka unutar zatvorene ploče na putu leta, LV ostaje atmosferski.

Cilj izuma je povećati strukturnu čvrstoću SC ležajnih ploča bez povećanja njihove mase kada SC lansirno vozilo lansira u međuplanetarni prostor.

Problem je riješen na takav način (opcija 1) da se u ležajnoj ploči SB KA, koja sadrži okvir koji nosi gornju i donju podnožju, između kojih je hermetički ugrađeno punilo u obliku saća, energetske pregrade, hermetički postavljene okomito na osnove, prema izumu, u bočnim površinama svakog saća za punjenje a pregrade se izrađuju kroz odvodne rupe, međusobno komunicirajući unutarnje zapremine saća, a u okviru, barem u jednom elementu okvira, izrađuju se odvodne rupe, prenoseći unutarnje zapremine saća s vanjskim okolišem, dok ukupna efektivna površina drenažnih rupa u saću, pregradama i okvir se određuje iz omjera:

S 2 [cm 2] - ukupna površina drenažnih rupa u okviru;

a, b - koeficijenti ovisno o parametrima putanje lansirnog vozila, koji aproksimiraju krivulju ovisnosti efektivne površine odvodnih rupa u okviru o maksimalnom padu tlaka duž putanje koja djeluje na baze ploča.

Problem je također riješen na takav način (opcija 2) da se u potpornoj ploči svemirske letjelice SB, koja sadrži okvir, koji nosi gornju i donju podnožju, između kojih je hermetički ugrađeno punilo u obliku saća, pregrade sile, hermetički postavljene okomito na osnove, prema izumu, na bočnim površinama svakog saća punila i pregrada izrađuju se drenažne rupe koje međusobno komuniciraju unutarnje zapremine saća, a u donjem dnu ploče drenažne rupe su ravnomjerno izrađene po njezinoj površini, komunicirajući unutarnje zapremine saća s vanjskim okolišem, dok je ukupna efektivna površina drenažnih rupa u saću, pregradama i donjem dnu određuje se iz omjera:

S 1 [cm 2] - ukupna površina odvodnih rupa na krajnjoj površini saća;

S 3 [cm 2] - ukupna površina odvodnih rupa u donjem dnu;

V [m 3] - ukupan volumen plinovitog medija u stanicama;

μ.GIF; 1 - koeficijent ispuštanja drenažnih rupa u saću i pregradama;

μ.GIF; 3 - koeficijent ispuštanja drenažnih rupa u donjem dnu;

Δ.GIF; P [kgf / cm 2] - maksimalni pad tlaka plinovitog medija duž putanje leta NN, koji djeluje na bazu ploče;

a, b - koeficijenti koji ovise o parametrima putanje lansirnog vozila, aproksimirajući krivulju ovisnosti efektivne površine odvodnih rupa u podnožjima ploča o maksimalnom padu tlaka duž putanje koja djeluje na podnožje ploče.

Problem je također riješen na takav način (opcija 3) da se na potpornoj ploči svemirske letjelice SB, koja sadrži okvir, koji nosi gornju i donju podnožju, između kojih je hermetički postavljeno punilo u obliku saća, pregrade sile, hermetički postavljene okomito na osnove, prema izumu, na bočnim površinama svakog saća punilo i pregrade načinjene kroz drenažne rupe, međusobno komunicirajući unutarnje zapremine saća, a u okviru, barem u jednom elementu okvira, a u donjem dnu ploče, drenažne rupe su napravljene ravnomjerno po njegovoj površini, prenoseći unutarnje zapremine saća s vanjskim okolišem, kada ukupna efektivna površina drenažnih rupa u saću, pregradama, okviru i dnu dna određuje se iz omjera:

S 1 [cm 2] - ukupna površina odvodnih rupa na krajnjoj površini saća;

S 2, S 3 [cm 2] - ukupna površina odvodnih rupa u okviru, odnosno donjem dnu;

V [m 3] - ukupan volumen plinovitog medija u stanicama;

μ.GIF; 1 - koeficijent ispuštanja drenažnih rupa u saću i pregradama;

μ.GIF; 2, μ.GIF; 3 - koeficijent ispuštanja drenažnih rupa u okviru, odnosno donjem dnu ploče;

Δ.GIF; P [kgf / cm 2] je maksimalni pad tlaka plinovitog medija duž putanje leta NN, koji djeluje na bazu ploče;

Tehnički rezultati izuma su:

Smanjenje padova tlaka koji djeluju na baze i osjetljive elemente SB ploče pri minimalno dopuštenim padovima tlaka koji djeluju na stijenke saća za punjenje;

Određivanje efektivne površine odvodnih rupa u saću, okviru, nosećim podlogama i pregradama panela;

Određivanje utjecaja parametara putanje (broj M, visina leta H) na efektivno područje odvodnih rupa.

Bit izuma ilustrirana je dijagramima ploče SB KA i grafikonom promjena prekomjernih tlakova koji djeluju na njegove elemente.

Na slikama 1, 2 i 3 prikazani su dijagrami SB SC ploče, izrađeni u opcijama 1, 2 i 3, a istaknuti su njezini fragmenti, gdje:

2 - gornja baza;

3 - donja baza;

4 - punilo;

5 - pregrade;

6 - drenažne rupe;

7 - osjetljivi elementi.

Ovdje strelice pokazuju smjer strujanja plinovitog medija u saću punila ploče i njegov odljev u vanjsko okruženje.

Slika 4 prikazuje ovisnost maksimalnog pada tlaka Δ.GIF duž putanje leta NN; R (Δ.GIF; R \u003d Rvn-Rnr) plinovitog medija koji djeluje na dno ploča, iz relativne efektivne površine prolaznih dijelova drenažnih rupa μ.GIF; S / V, gdje:

Rvn - tlak plinskog medija unutar ploče (u saću punila);

Rnar je tlak plinskog okoliša izvan ploče.

Noseća ploča SB KA (slike 1, 2, 3) sadrži okvir 1, koji nosi gornju bazu 2 i donju bazu 3, kao i energetske pregrade 5, postavljene okomito na ove baze. Punilo u obliku saća 4 zapečaćeno je između baza. Osjetljivi elementi 7 sustava napajanja svemirske letjelice ugrađeni su na gornju bazu 2.

Na bočnim površinama svakog saća punila 4 i energetskih pregrada 5, za razliku od prototipa, u svakoj inačici postoje drenažne rupe 6, koje međusobno i s vanjskim okolišem komuniciraju unutarnje količine saća (vidi prikaz A i odjeljak uz BB).

U varijanti 1 (slika 1), unutarnji volumen saća komunicira s vanjskim okolišem pomoću odvodnih rupa 6 napravljenih u okviru 1 u najmanje jednom od njegovih elemenata.

U varijanti 2 (slika 2), unutarnji volumen saća komunicira s vanjskim okolišem pomoću drenažnih rupa 6 napravljenih u potpornoj donjoj osnovi 3, ravnomjerno raspoređenih po površini njegove baze.

U opciji 3 (slika 3), unutarnji volumen saća komunicira s vanjskim okolišem kroz drenažne rupe 6 izrađene u okviru 1, barem u jednom od njegovih elemenata, kao i u podupirućem dnu baze 3, ravnomjerno raspoređenim po površini svoje baze.

Zbog jednolikog rasporeda drenažnih rupa po površini dna ploče, osigurava se ravnomjerna ili blizu jednolike raspodjele tlaka u saću agregata i, shodno tome, padovi tlaka koji djeluju na dno ploče. Dakle, eliminiraju se koncentracije naprezanja na spoju elemenata panela s neravnomjernim padovima tlaka, što dovodi do pojednostavljenja tehnologije izrade panela i povećanja pouzdanosti njezinog rada uz prisutnost skrivenih nedostataka u njegovoj izradi, na primjer, kada pojedini elementi saća za punjenje nisu zalijepljeni potpornim podlogama.

Izbor mogućnosti odvodnje za panele određen je dopuštenim operativnim opterećenjima koja djeluju na baze panela duž puta leta lansirne rampe, uzimajući u obzir dizajn i tehnološke značajke proizvodnje panela.

Ukupna efektivna površina drenažnih rupa u okviru 1, u saću punila 4, pregradama 5 i donjoj osnovi 3 za zadani put leta rakete-nosača određuje se relacijama (1), (2) i (3), za opcije 1, 2, odnosno 3, sa uzimajući u obzir koeficijente a, b koji su uključeni u ove omjere, a koji ovise o parametrima NN putanje.

Formule (1), (2) i (3) sadrže matematički opis ovisnosti relativne ukupne efektivne površine odvodnih rupa μ.GIF; · S / V od maksimalnog pada tlaka Δ.GIF duž puta leta NN; P i dobiven analizom protoka plinovitog medija u sustavu plinsko-dinamičkih međusobno povezanih spremnika formiranih odvodnjenim saćem punila 4 s pregradnim pregradama 5, gornjim dnom 2 i donjim podnožjem 3, nakon čega slijedi njegov odljev u vanjsko okruženje.

U raketnoj industriji, okvir 1 izrađen je od ugljičnih vlakana, nosači 2 i 3, kao i pogonske pregrade 5 izrađeni su od titana. Punilo 4 u obliku saća izrađeno je od aluminijske legure i hermetički je pričvršćeno na gornju bazu 2 i donju bazu 3 ploče pomoću, na primjer, zrakoplovnog ljepila VKV-9. Osjetljivi elementi 7 SB također su pričvršćeni na gornju bazu 2.

Nosač SB KA radi na sljedeći način.

Budući da se na bočnim površinama svake ćelije punila 4 i elementima panela (slike 1, 2 i 3), za razliku od prototipa, izrađuju drenažne rupe 6, tijekom leta svemirske letjelice kao dijela rakete-nosača, kao i u autonomnom letu svemirske letjelice, nakon ispuštanja oplata glavne jedinice, plinski medij teče između ćelija punila 4, pregradnih sila 5 i njegovog odljeva kroz odvodne rupe u okviru 1 i donjoj bazi 6 u vanjsko okruženje (vidi odjeljak uz BB). Prelijevanje plinovitog medija događa se s neznatnim zakašnjenjem izjednačavanja tlaka u saću punila 4.

U ovom slučaju, istjecanje plinovitog medija iz saća agregata 4 u vanjsko okruženje događa se podzvučnom brzinom, a da se ne blokira u saću punila 4, jer su ukupne efektivne površine μ.GIF; 2 S 2 odvodne rupe 6 u okviru 1 i μ.GIF; 3 · S 3 - u donjoj osnovi 3 napravljeni su veći ili jednaki ukupnoj efektivnoj površini μ.GIF; 1 S 1 u agregatnim ćelijama 4 s pregradnim pregradama 5 (μ.GIF; 2 S 2 ≥.GIF; μ.GIF; 1 S 1, μ.GIF; 3 S 3 ≥.GIF; μ.GIF; 1 S 1).

Tijekom leta svemirske letjelice kao dijela LV glavne jedinice ostvaruje se maksimalni pad tlaka Δ.GIF; P (slika 4), djelujući na osnove ploča 2 i 3, u skladu s formulama (1), (2) i (3). U tom slučaju, plinoviti medij iz saća punila 4 ulijeva se u zatvoreni volumen ispod obloge za glavu, maksimalno dopušteni pad tlaka u kojem se, u usporedbi s vanjskim duž putanje leta lansirne rakete, određuje prema poznatom tehničkom rješenju pomoću odvodnog sustava odjeljka.

U autonomnom letu svemirske letjelice unutarnji tlak R VN postavlja se unutar ploče trupa, blizu atmosferskog (statička atmosfera u okolini). Razlike Δ.GIF; U ovom su slučaju P pritisci između saća agregata 4, kao i unutarnji tlak Rvn u saću agregata 4 i vanjsko okruženje Pnar, djelujući na gornju bazu 2 i donju bazu 3 ploče, blizu nule.

Tako se smanjuju padovi tlaka koji djeluju na elemente panela i osjetljive elemente sustava napajanja svemirske letjelice instalirane na njemu. Time se povećava strukturna čvrstoća svemirske letjelice SB bez povećanja mase svemirske letjelice, što dovodi do ispunjenja zadatka.

Uz to, zbog smanjenja padova tlaka koji djeluju na elemente panela, tehnologija proizvodnje i ugradnje SB KA panela pojednostavljena je i povećana je pouzdanost njezinog rada.

Proračuni provedeni za ploču trupa razvijenu za letjelicu Yamal, koju je lansirala raketa-nosač Proton, pokazali su da tlak pada Δ.GIF; P, djelujući na dno ploče, u usporedbi s prototipom, reducirani su za red veličine i praktički su blizu nule.

Trenutno je tehničko rješenje eksperimentalno testirano i primjenjuje se na letjelici koju razvija poduzeće.

Tehničko rješenje može se koristiti za razne vrste svemirskih letjelica: bliskih, međuplanetarnih, automatskih, s ljudskom posadom i ostalih svemirskih letjelica.

Tehničko rješenje također se može koristiti u zrakoplovstvu, na primjer, kada se SB ploča koristi kao dio krila zrakoplova. U tom se slučaju efektivna površina odvodnih rupa u elementima panela određuje uzimajući u obzir maksimalne padove tlaka koji djeluju na elemente krila duž puta leta zrakoplova.

Književnost

1. Zrakoplovstvo. Enciklopedija. M.: TsAGI, 1994., str. 529.

2. Na prijelazu dva stoljeća (1996.-2001.). Ed. akad. Yu.P.Semenova. Moskva: SP Korolev RSC Energia, 2001., str. 834.

3. Patent RU 2145563 C1.

Zahtjev

1. Nosilna ploča solarne baterije svemirske letjelice, koja sadrži okvir koji nosi gornju i donju podnožju, između kojih je hermetički ugrađeno punilo u obliku saća i pregrade snage okomite na osnove, naznačene time, što se kroz drenažne rupe izrađuju bočne površine svakog saća punila i pregrade za napajanje, međusobno komuniciranje unutarnjih volumena saća, a odvodne rupe izrađene su u najmanje jednom elementu okvira, komunicirajući unutarnje zapremine saća s vanjskim okolišem, dok se ukupna efektivna površina drenažnih rupa u saću, pregradama sile i okviru određuje iz omjera

S 2 - ukupna površina drenažnih rupa u okviru, cm 2;

μ.GIF; 2 - koeficijent potrošnje drenažnih rupa u okviru;

a, b - koeficijenti ovisno o parametrima putanje lansirnog vozila, približni krivulji ovisnosti efektivne površine odvodnih rupa u okviru o maksimalnom padu tlaka duž putanje koja djeluje na podnožje ploče.

2. Potporna ploča solarne baterije svemirske letjelice, koja sadrži okvir koji nosi gornju i donju podnožju, između kojih je hermetički postavljeno punilo u obliku saća i energetske pregrade okomite na osnove, naznačene time što su na bočnim površinama svakog saća ispune i pregradama za teret napravljene drenažne rupe. unutarnjih volumena saća, a u donjem dnu ploče drenažne rupe ravnomjerno se izrađuju po njezinoj površini, komunicirajući unutarnje zapremine saća s vanjskim okolišem, dok se ukupna efektivna površina drenažnih rupa u saću, pregradama pregrade i donjoj osnovi ploče određuje iz omjera

μ.GIF; 1 · S 1 / V \u003d \u200b\u200ba · ΔGIF; P -b,

gdje je S 1 - ukupna površina drenažnih rupa na bočnim površinama saća i energetskih pregrada, cm 2;

S 3 - ukupna površina drenažnih rupa u donjem dnu ploče, cm 2;

V ukupni volumen plinovitog medija u saću, m 3;

μ.GIF; 1 - koeficijent ispuštanja drenažnih rupa na bočnim površinama saća i energetskih pregrada;

μ.GIF; 3 - koeficijent ispuštanja drenažnih rupa u donjem dnu ploče;

Δ.GIF; P je maksimalni pad tlaka plinovitog medija na putu leta lansirnog vozila, koji djeluje na dno ploče, kgf / cm 2;

a, b - koeficijenti ovisno o parametrima putanje lansirnog vozila, približni krivulji ovisnosti efektivne površine odvodnih rupa u donjem dnu panela o maksimalnom padu tlaka duž putanje koja djeluje na dno panela.

3. Nosilna ploča solarne baterije svemirske letjelice, koja sadrži okvir, noseći gornju i donju podnožju, između kojih je hermetički ugrađeno punilo u obliku saća i pregrade snage okomite na osnove, naznačene time, što se kroz bočne površine svakog saća punila i pregrade za napajanje izrađuju odvodni otvori, međusobno se međusobno komunicirajući unutarnjim volumenima saća, a u najmanje jednom elementu okvira i u donjem dnu ploče ravnomjerno se izrađuju drenažne rupe po njezinoj površini, komunicirajući unutarnje volumene saća s vanjskim okolišem, dok ukupna efektivna površina drenažnih rupa u saću, nosivim pregradama, okvir i donja baza ploče određuje se iz omjera

μ.GIF; 1 · S 1 / V \u003d \u200b\u200ba · ΔGIF; P -b,

μ.GIF; 2 · S 2 / V≥. GIF; μ.GIF; 1 S 1 / V,

μ.GIF; 3 · S 3 /V≥.GIF; μ.GIF; 1 S 1 / V,

gdje je S 1 - ukupna površina drenažnih rupa na bočnim površinama saća i energetskih pregrada, cm 2;

S 2, S 3 - ukupna površina odvodnih rupa u okviru, odnosno donja baza ploče, cm 2;

V ukupni volumen plinovitog medija u saću, m 3;

μ.GIF; 1 - koeficijent ispuštanja drenažnih rupa na bočnim površinama saća i energetskih pregrada;

μ.GIF; 2, μ.GIF; 3 - koeficijenti protoka drenažnih rupa u okviru, odnosno na dnu ploče;

Δ.GIF; P je maksimalni pad tlaka plinovitog medija na putu leta lansirnog vozila, koji djeluje na dno ploče, kgf / cm 2;

a, b - koeficijenti ovisno o parametrima putanje lansirnog vozila, približni krivulji ovisnosti efektivne površine odvodnih rupa u okviru i donjem dnu ploče o maksimalnom padu tlaka duž putanje koja djeluje na podnožje ploče.

Solarna baterija na ISS-u

Solarna baterija je niz integriranih fotonaponskih pretvarača (solarnih ćelija) - poluvodičkih uređaja koji izravno pretvaraju sunčevu energiju u istosmjernu električnu struju, za razliku od solarnih kolektora koji zagrijavaju materijal nosača topline.

Različiti uređaji koji omogućuju pretvaranje sunčevog zračenja u toplinsku i električnu energiju predmet su istraživanja solarne energije (od grčkog Helios Ήλιος, Helios -). Proizvodnja fotonaponskih ćelija i solarnih kolektora razvija se u različitim smjerovima. Solarne ploče imaju razne veličine, od ugrađenih u mikrokalkulatore do krovnih automobila i zgrada.

Povijest

Prve prototipove solarnih ćelija stvorio je talijanski fotokemičar armenskog podrijetla Giacomo Luigi Chamichan.

25. travnja 1954. Bell Laboratories najavili su stvaranje prvih solarnih ćelija na bazi silicija za proizvodnju električne struje. Do ovog otkrića došlo je troje zaposlenika tvrtke - Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin i Gerald Pearson. Već 4 godine kasnije, 17. ožujka 1958., u SAD-u je lansiran prvi sa solarnim pločama, Vanguard 1. Samo nekoliko mjeseci kasnije, 15. svibnja 1958., u SSSR-u je lansiran Sputnik 3, također koristeći solarne panele.

Koristite u svemiru

Solarne ploče su jedan od glavnih načina dobivanja električne energije: djeluju dugo bez trošenja materijala, a istodobno su i ekološki prihvatljive, za razliku od nuklearnih i.

Međutim, kada lete na velikoj udaljenosti od Sunca (izvan orbite), njihova upotreba postaje problematična, budući da je protok sunčeve energije obrnuto proporcionalan kvadratu udaljenosti od Sunca. Tijekom letova do i, naprotiv, snaga solarnih baterija znatno se povećava (u regiji Venere za 2 puta, u regiji Merkura za 6 puta).

Učinkovitost fotoćelija i modula

Snaga sunčevog zračenja na ulazu u atmosferu (AM0) iznosi oko 1366 vata po kvadratnom metru (vidi također AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). Istodobno, specifična snaga sunčevog zračenja u Europi po vrlo oblačnom vremenu, čak i tijekom dana, može biti manja od 100 W / m². Uz pomoć uobičajenih industrijski proizvedenih solarnih panela, ta se energija može pretvoriti u električnu energiju s učinkovitošću od 9-24%. U ovom će slučaju cijena baterije iznositi oko 1-3 USD po vatu nazivne snage. S industrijskom proizvodnjom električne energije koja koristi fotonaponske ćelije, cijena po kWh iznosit će 0,25 dolara. Prema Europskom fotonaponskom udruženju (EPIA), do 2020. godine cijena električne energije koju generiraju "solarni" sustavi pasti će na manje od 0,10 € po kWh. h za industrijske instalacije i manje od 0,15 € po kWh za instalacije u stambenim zgradama.

2009. godine, Spectrolab (podružnica Boeinga) demonstrirao je solarnu ćeliju s učinkovitošću od 41,6%. U siječnju 2011. godine očekivalo se da će solarne ćelije ove tvrtke na tržište ući s učinkovitošću od 39%. Kalifornijska tvrtka Solar Junction postigla je 2011. godine 43,5% učinkovitosti solarne ćelije od 5,5 x 5,5 mm, što je 1,2% više od prethodnog rekorda.

Morgan Solar je 2012. godine kreirao sustav Sun Simba od polimetil metakrilata (pleksiglasa), germanija i galijevog arsenida, kombinirajući koncentrator s pločom na kojoj je instalirana fotoćelija. Učinkovitost sustava s nepokretnim položajem ploče iznosila je 26-30% (ovisno o sezoni i kutu pod kojim se nalazi sunce), dvostruko više od praktične učinkovitosti solarnih ćelija na bazi kristalnog silicija.

2013. Sharp je stvorio troslojnu fotoćeliju 4x4 mm na bazi indij-galij-arsenid s učinkovitošću od 44,4%, a tim stručnjaka s Instituta za solarne energetske sustave Fraunhofer, Soitec, CEA-Leti i Helmholtz Center Berlin izradio je fotoćeliju. korištenjem Fresnelovih leća s učinkovitošću od 44,7%, nadmašujući vlastita postignuća od 43,6%. 2014. godine Fraunhofer institut za solarne energetske sustave stvorio je solarne panele u kojima je, zahvaljujući fokusiranju svjetlosti na vrlo malu fotoćeliju, učinkovitost bila 46%.

Španjolski su znanstvenici 2014. godine razvili silicijsku fotonaponsku ćeliju sposobnu pretvoriti infracrveno zračenje sunca u električnu energiju.

Obećavajući smjer je stvaranje fotoćelija na bazi nanoantena koje djeluju na izravno ispravljanje struja induciranih u maloj anteni (reda od 200-300 nm) svjetlošću (tj. Elektromagnetskim zračenjem frekvencije od oko 500 THz). Nanoantene ne zahtijevaju skupe sirovine za proizvodnju i imaju potencijalnu učinkovitost do 85%.

Maksimalne vrijednosti učinkovitosti fotoćelija i modula,
postignuto u laboratorijskim uvjetima

Tip	Koeficijent fotoelektrične pretvorbe,%
Silicij
Si (kristalni)	24,7
Si (polikristalni)	20,3
Si (prijenos tankog filma)	16,6
Si (tankoslojni podmodul)	10,4
III-V
GaAs (kristalni)	25,1
GaAs (tanki film)	24,5
GaAs (polikristalni)	18,2
InP (kristalni)	21,9
Tanki filmovi halkogenida
CIGS (fotoćelija)	19,9
CIGS (podmodul)	16,6
CdTe (fotoćelija)	16,5
Amorfni / nanokristalni silicij
Si (amorfno)	9,5
Si (nanokristalni)	10,1
Fotokemijski
Na bazi organskih boja	10,4
Na bazi organskih boja (podmodul)	7,9
Organski
Organski polimer	5,15
Višeslojni
GaInP / GaAs / Ge	32,0
GaInP / GaAs	30,3
GaAs / CIS (tanki film)	25,8
a-Si / mc-Si (tanki podmodul)	11,7

Čimbenici koji utječu na učinkovitost fotoćelija

Strukturne značajke solarnih ćelija uzrokuju smanjenje performansi ploča s porastom temperature.

Iz izvedbe fotonaponske ploče može se vidjeti da je za postizanje najveće učinkovitosti potreban točan odabir otpora opterećenja. Da bi to učinili, fotonaponski paneli nisu izravno povezani s opterećenjem, već koriste kontroler fotonaponskog sustava kako bi osigurali optimalan rad panela.

Proizvodnja

Vrlo često pojedinačne fotoćelije ne proizvode dovoljno energije. Stoga je određeni broj fotonaponskih ćelija povezan u takozvane fotonaponske solarne module i između staklenih ploča je postavljena armatura. Ova se izrada može potpuno automatizirati.

To su fotonaponski pretvarači - poluvodički uređaji koji pretvaraju sunčevu energiju u istosmjernu električnu struju. Jednostavno rečeno, ovo su osnovni elementi onoga što nazivamo "solarnim pločama".

Uz pomoć takvih baterija, umjetni zemaljski sateliti djeluju u svemirskim orbitama. Takve se baterije izrađuju u Krasnodaru - u pogonu Saturna.

Poduzeće u Krasnodaru dio je Federalne svemirske agencije, ali Saturn je u vlasništvu tvrtke Ochakovo koja je 90-ih godina doslovno spasila ovu proizvodnju.

Vlasnici Ochakova otkupili su kontrolni udio koji je gotovo pripao Amerikancima. Očakovo je ovdje uložio velike svote novca, kupio modernu opremu, uspio zadržati stručnjake, a sada je Saturn jedan od dvojice lidera na ruskom tržištu za proizvodnju solarnih i akumulatora za potrebe svemirske industrije - civilne i vojne. Sav profit koji Saturn dobije ostaje ovdje u Krasnodaru i ide za razvoj proizvodne baze.

Dakle, sve započinje ovdje - na mjestu tzv. epitaksija u plinskoj fazi. U ovoj se sobi nalazi plinski reaktor u kojem se kristalni sloj uzgaja na germanijevoj podlozi tijekom tri sata, što će poslužiti kao osnova za buduću fotoćeliju. Trošak takve instalacije je oko tri milijuna eura.

Nakon toga, podloga mora još dugo prijeći: električni kontakti bit će postavljeni na obje strane fotoćelije (a na radnoj strani kontakt će imati "uzorak češlja", čije se dimenzije pažljivo izračunavaju kako bi se osigurao maksimalan prolaz sunčeve svjetlosti), na podlozi će se pojaviti antirefleksni premaz itd. .d. - ukupno više od dva desetaka tehnoloških operacija u raznim instalacijama prije nego što fotoćelija postane osnova solarne baterije.

Na primjer, postavka za fotolitografiju. Ovdje se na fotoćelijama formiraju "uzorci" električnih kontakata. Stroj izvodi sve radnje automatski, prema zadanom programu. Ovdje je odgovarajuće svjetlo, koje ne šteti fotoosjetljivom sloju fotoćelije - kao i prije, u eri analogne fotografije, koristili smo "crvene" lampe.

U vakuumu jedinice za taloženje nanose se električni kontakti i dielektrici pomoću elektronske zrake, a nanose se antirefleksni premazi (oni povećavaju struju koju generira fotoćelija za 30%).

Pa, fotoćelija je spremna i možete započeti montažu solarne baterije. Gume su zalemljene na površinu fotoćelije, kako bi ih potom međusobno spojile, a na njih je zalijepljeno zaštitno staklo bez kojeg u prostoru, u uvjetima zračenja, fotoćelija možda neće izdržati opterećenja. I premda je staklo debljine samo 0,12 mm, baterija s takvim fotoćelijama dugo će raditi u orbiti (na visokim orbitama više od petnaest godina).

Električno povezivanje fotoćelija međusobno se vrši srebrnim kontaktima (zovu se sabirnice) debljine samo 0,02 mm.

Solarne ćelije povezane su u seriju kako bi se dobio potreban napon u mreži koju generira solarna baterija. Ovako izgleda odjeljak serijski povezanih fotonaponskih ćelija (fotonaponski pretvarači - tako je).

Konačno, solarna ploča je sastavljena. Ovdje je prikazan samo dio baterije - ploča u formatu izgleda. Na satelitu može biti do osam takvih ploča, ovisno o tome koliko je energije potrebno. Na modernim komunikacijskim satelitima doseže 10 kW. Takvi će se paneli postaviti na satelit, u svemiru će se otvoriti poput krila i uz njihovu pomoć gledat ćemo satelitsku TV, koristiti satelitski Internet, navigacijske sustave (sateliti Glonass koriste Krasnodarske solarne baterije).

Kad je letjelica osvijetljena suncem, električna energija koju generira solarna baterija napaja sustave letjelice, a višak energije pohranjuje se u bateriji.

Kada je letjelica u sjeni Zemlje, letjelica koristi električnu energiju pohranjenu u bateriji. Nikal-vodikova baterija, visokog energetskog kapaciteta (60 W h / kg) i gotovo neiscrpnog resursa, široko se koristi u letjelicama. Proizvodnja takvih baterija drugi je dio rada pogona Saturn.

Na ovoj fotografiji montažu akumulatora za nikal-vodik vrši nositelj medalje Ordena za zasluge pred domovinom, II stupanj, Anatolij Dmitrijevič Panin.

Mjesto za montažu nikal-vodikovih baterija. Punjenje baterije pripremljeno je za smještaj u kućište. Ispunjavanje se sastoji od pozitivne i negativne elektrode, odvojene razdvajajućim papirom - u njima se odvija transformacija i nakupljanje energije.

Instalacija za zavarivanje elektronskim snopom u vakuumu, uz pomoć koje je kućište baterije izrađeno od tankog metala.

Dio radionice u kojem se kućišta i dijelovi akumulatora ispituju na visoki tlak.

Zbog činjenice da nakupljanje energije u bateriji prati stvaranje vodika, a tlak u bateriji raste, ispitivanje nepropusnosti sastavni je dio procesa proizvodnje baterija.

Kućište nikal-vodikove baterije vrlo je važan dio cijelog uređaja koji djeluje u svemiru. Tijelo je dizajnirano za tlak od 60 kg · s / cm2, tijekom ispitivanja došlo je do puknuća pod tlakom od 148 kg · s / cm2.

Provjerene baterije napunjene su elektrolitom i vodikom te su spremne za upotrebu.

Tijelo akumulatorske baterije za nikal-vodik izrađeno je od posebne legure metala i mora biti mehanički čvrsto, lagano i imati visoku toplinsku vodljivost. Baterije su ugrađene u ćelije i ne dodiruju se.

Baterije i baterije sastavljene od njih električno se ispituju u vlastitim proizvodnim pogonima. Više neće biti moguće popraviti ili zamijeniti ništa u svemiru, pa je ovdje svaki proizvod temeljito testiran.

Sva svemirska tehnologija podvrgnuta je mehaničkim testovima naprezanja pomoću vibracijskih postolja, koja simuliraju opterećenja tijekom lansiranja svemirske letjelice u orbitu.

Općenito, biljka Saturn ostavila je najpovoljniji dojam. Proizvodnja je dobro organizirana, radionice su čiste i bistre, ljudi su kvalificirani, komunikacija s takvim stručnjacima je zadovoljstvo i vrlo zanimljivo za osobu, barem donekle zainteresiranu za naš prostor.

Prije više od šezdeset godina započelo je doba praktične solarne energije. Tri američka znanstvenika 1954. godine svijetu su predstavila prve solarne ćelije na bazi silicija. Izgledi za dobivanje besplatne električne energije realizirani su vrlo brzo, a vodeći znanstveni centri širom svijeta počeli su raditi na stvaranju solarnih elektrana. Prvi "potrošač" solarnih ćelija bila je svemirska industrija. Ovdje su, kao nigdje drugdje, trebali obnovljive izvore energije, jer su brodske baterije na satelitima brzo istrošile svoj resurs.

I samo četiri godine kasnije, solarni paneli u svemiru započeli su neodređenu radnu smjenu. U ožujku 1958. Sjedinjene Države su lansirale satelit na solarni pogon. Nepuna dva mjeseca kasnije, 15. svibnja 1958. godine, Sovjetski Savez je lansirao Sputnik-3 u eliptičnu orbitu oko Zemlje sa solarnim pločama na brodu.

Prva domaća solarna elektrana u svemiru

Silikonski solarni paneli ugrađeni su na dno i u pramac Sputnika 3. Ovaj je raspored omogućio primanje dodatne električne energije gotovo kontinuirano, bez obzira na položaj satelita u orbiti u odnosu na sunce.

Treći umjetni satelit. Sunčeva baterija je jasno vidljiva

Ugrađene baterije istrošile su se za 20 dana, a 3. lipnja 1958. većina instrumenata instaliranih na satelitu bila je bez napajanja. Međutim, uređaj za proučavanje sunčevog zračenja, radio odašiljač koji šalje primljene informacije na zemlju i radio-svjetionik nastavili su raditi. Nakon ispražnjenja ugrađenih baterija, ti su uređaji u potpunosti prebačeni na napajanje iz solarnih panela. Radio-svjetionik radio je praktički sve dok 1960. godine satelit nije izgorio u Zemljinoj atmosferi.

Razvoj domaćih svemirskih fotonapona

Dizajneri su razmišljali o napajanju svemirskih letjelica čak i u fazi projektiranja prvih lansirnih letjelica. Napokon, baterije se ne mogu zamijeniti u svemiru, što znači da aktivni vijek trajanja svemirske letjelice određuje samo kapacitet brodskih baterija. Prvi i drugi umjetni zemaljski sateliti bili su opremljeni samo brodskim baterijama, koje su se praznile nakon nekoliko tjedana rada. Počevši od trećeg satelita, sve naredne letjelice bile su opremljene solarnim pločama.

Glavni programer i proizvođač svemirskih solarnih elektrana bilo je poduzeće za istraživanje i proizvodnju Kvant. Solarni paneli "Kvant" instalirani su na gotovo svim domaćim svemirskim letjelicama. U početku su to bile silicijske solarne ćelije. Njihova snaga bila je ograničena i veličinom i težinom. No, tada su znanstvenici iz Kvanta razvili i proizveli prve solarne ćelije na svijetu temeljene na potpuno novom poluvodiču - galijevom arsenidu (GaAs).

Uz to, u proizvodnju su puštene potpuno nove helijeve ploče, koje nisu imale analoge u svijetu. Helijeve ploče visokih performansi na podlozi s mrežom ili strunastom strukturom postale su ova novost.

Helijeve ploče s mrežnom podlogom i žicom

Silicijske helijeve ploče s dvosmjernom osjetljivošću dizajnirane su i proizvedene posebno za ugradnju u svemirske letjelice s niskim orbitama. Na primjer, za ruski segment Međunarodne svemirske stanice (svemirska letjelica Zvezda) izrađene su ploče na dvosmjernoj osjetljivosti na bazi silicija, čija površina iznosi 72 m².

Sunčeva baterija svemirske letjelice "Zvezda"

Fleksibilne solarne ćelije također su razvijene na bazi amorfnog silicija i pokrenute u proizvodnju, s izvrsnim karakteristikama specifične težine: s težinom od samo 400 g / m², ove su baterije proizvodile električnu energiju od 220 W / kg.

Fleksibilna helijska baterija na bazi amorfnog silicija

Kako bi se poboljšala učinkovitost solarnih ćelija, provedena je velika količina zemaljskih istraživanja i ispitivanja koja su otkrila negativne učinke Velikog prostora na helijeve ploče. To je omogućilo prelazak na proizvodnju solarnih baterija za svemirske letjelice različitih vrsta s aktivnim životnim vijekom do 15 godina.

Svemirska letjelica misije "Venera"

U studenom 1965., s razmakom od četiri dana, dvije svemirske letjelice, Venera-2 i Venera-3, lansirane su do našeg najbližeg susjeda, Venere. Bile su to dvije apsolutno identične svemirske sonde, čiji je glavni zadatak bio sletjeti na Veneru. Obje letjelice bile su opremljene solarnim pločama od galijev arsenid, koje su se dobro dokazale na prethodnim vozilima blizu Zemlje. Tijekom leta sva oprema obje sonde radila je bez problema. Izvršeno je 26 komunikacijskih sesija sa stanicom Venera-2, a 63 sa stanicom Venera-3. Tako je potvrđena najveća pouzdanost solarnih baterija ovog tipa.

Zbog kvarova na upravljačkoj opremi izgubljena je komunikacija s Venerom-2, ali je stanica Venera-3 nastavila put. Krajem prosinca 1965. godine, na zapovijed sa Zemlje, izvršena je korekcija putanje, a 1. ožujka 1966. godine stanica je stigla do Venere.

Podaci dobiveni kao rezultat leta ove dvije stanice uzeti su u obzir prilikom pripreme nove misije, a u lipnju 1967. nova automatska stanica Venera-4 lansirana je na Veneru. Baš kao i njegova dva prethodnika, bio je opremljen solarnim pločama od galijev arsenid ukupne površine 2,4 m². Te su baterije podržavale rad gotovo sve opreme.

Stanica "Venera-4". Ispod je vozilo za spuštanje

18. listopada 1967., nakon što se silazno vozilo odvojilo i ušlo u atmosferu Venere, postaja je nastavila svoj rad u orbiti, izvršavajući, između ostalog, ulogu repetitora signala iz radio predajnika silaznog vozila na Zemlju.

Svemirska letjelica misije "Mjesec"

Solarne baterije na bazi galijevog arsenida bile su "Lunokhod-1" i "Lunokhod-2". Solarne ploče oba uređaja bile su postavljene na poklopce s poklopcima i vjerno su služile cijelo vrijeme rada. Štoviše, na "Lunokhod-1", čiji su program i resursi bili dizajnirani za mjesec dana rada, baterije su radile tri mjeseca, tri puta duže od planiranog razdoblja.

Lunokhod-2 radio je na mjesečevoj površini nešto više od četiri mjeseca, prelazeći udaljenost od 37 kilometara. Još bi mogao funkcionirati da nije pregrijavanja opreme. Uređaj je pao u svježi krater s rastresitom zemljom. Dugo sam klizao, ali na kraju sam uspio izaći u rikverc. Kad je izašao iz jame, mala količina tla pala je na poklopac solarne ploče. Da bi se održao zadani toplinski režim, rasklopljeni solarni paneli noću su se spuštali na gornji pokrov odjeljka za opremu. Nakon napuštanja kratera, kada se poklopac zatvorio, tlo iz njega palo je na odjeljak opreme, postavši neka vrsta toplinskog izolatora. U popodnevnim satima temperatura se popela iznad stotinu stupnjeva, oprema to nije mogla podnijeti i izašla je iz reda.

Moderni solarni paneli izrađeni najnaprednijom nanotehnologijom, koristeći nove poluvodičke materijale, omogućili su postizanje učinkovitosti do 35% uz značajno smanjenje težine. A ovi novi helijevi paneli vjerno služe na svim svemirskim letjelicama koje su poslane i u orbite oko Zemlje i u duboki svemir.

Trenutno, NE "Kvant" radi na tri glavna područja razvoja svemirskih fotonaponskih elemenata i njegovih elemenata, a to su:

Stvaranje solarnih ćelija na bazi monokristalnog silicija

Silicijske solarne ćelije stvorene u NE Kvant odgovaraju svjetskoj razini, što je potvrđeno nizom inozemnih narudžbi za njihovu proizvodnju u interesu Indije, Francuske, Nizozemske, Češke, Izraela, Kine. Ove baterije imaju:

najviša početna specifična karakteristika energije ~ 200W / m 2;
najmanja degradacija tijekom razdoblja aktivnog postojanja;
obostrana osjetljivost, koja se koristi na svemirskim letjelicama s malim letenjem i omogućuje povećanje izlazne snage solarnih baterija za 10-15% zbog transformacije Zemljinog albeda (posebno solarne baterije za svemirske letjelice Zarya i Zvezda, ruski sektor ISS-a, SB za letjelicu Monitor-E ").

Stvaranje solarnih ćelija na temelju višestepenih fotonaponskih pretvarača pomoću složenih poluvodičkih materijala na stranim podlogama.

Uz pomoć solarnih ćelija temeljenih na kaskadno složenim heterojunkcijskim strukturama koje koriste ternarne i kvartarne AIIIVV spojeve nanesene na stranoj poluvodičkoj podlozi, postignuti su maksimalna učinkovitost u svemirskim uvjetima, najbolji rezultati u pogledu gustoće snage, aktivnog vijeka trajanja i minimalne razgradnje u tom razdoblju. Uz pomoć takvih solarnih ćelija svladava se raspon učinkovitosti od 25-30%. Za cijelu klasu perspektivnih svemirskih letjelica, na primjer, velikih geostacionarnih platformi, kao i svemirskih letjelica namijenjenih transportnim operacijama u svemiru pomoću električnih pogonskih sustava, sposobnost ispunjavanja suvremenih ciljnih zadataka omogućuje samo upotrebu tako visoko učinkovitih solarnih baterija. Uzimajući to u obzir, kao i koristeći dugogodišnje iskustvo u projektiranju solarnih ćelija na bazi GaAs, NE Kvant razvija rad u naznačenom smjeru.

Stvaranje fleksibilnih tankoslojnih solarnih ćelija na bazi amorfnog silicija s maksimalnom specifičnom karakteristikom energetske mase i minimalnim troškovima.

Ovo je potpuno novi smjer u svemirskim fotonaponskim sustavima. Najperspektivnija vrsta takvih fotonaponskih pretvarača trenutno su 3-fazne PV stanice na bazi amorfnog silicija (a-Si). Izvorno razvijene za zemaljske fotonaponske sustave, amorfne silicijske solarne ćelije trenutno se razmatraju za upotrebu u svemiru zbog:

mogućnost dobivanja visokih energetskih i masenih karakteristika solarnih ćelija, 4-5 puta viših od onih solarnih ćelija izrađenih na osnovi monokristalnog silicija, unatoč njihovoj nižoj početnoj učinkovitosti;
velika otpornost na zračenje;
mogućnost smanjenja jediničnih troškova solarne baterije za red veličine ili više u usporedbi s monokristalnom verzijom.

Značajna prednost fleksibilnih tankoslojnih solarnih ćelija je njihov mali početni (transportni) volumen, sposobnost stvaranja solarnih ćelija tipa valjka koje se lako mogu postaviti, itd.

Prizemna tehnologija koju je razvilo rusko-američko zajedničko ulaganje Sovlax LLC (suosnivači NPP Kvant, ECD Ltd., SAD) smatra se osnovnom tehnologijom za proizvodnju fotonaponskih pretvarača na bazi amorfnog silicija za svemirske primjene. Ova tehnologija osigurava formiranje kaskadne fotonaponske strukture s tri spoja na osnovi a-Si legura na tankoj trakastoj podlozi.

Suvremeni projekti NEK "Kvant" na polju svemirskih fotonapona

ISS: ruski segment modula Zarya i Zvezda sa solarnim pretvaračima s dvosmjernom osjetljivošću
Velike geostacionarne platforme "SiSat", "Express-A", "Express-AM", "KazSat" itd.
Svemirske letjelice za daljinsko otkrivanje Zemlje i meteorologiju "Monitor-E", "Meteor-3" itd.

Glavne karakteristike solarnih panela NE "Kvant"

Glavne karakteristike	Monokristalni	GalnP2-GalnAs-Ge trostupanjski	Amorfni
Specifična snaga SB pri AM0, 25 ° C u optimalnoj točki I - V karakteristike, W / m 2	200	~350	90-100
Specifična snaga SB pri AM0, 60 ° C, u optimalnoj točki I - V karakteristike, W / m 2	165-170	~320	80-90
Specifična težina (za fotogenerirajući dio, isključujući okvir), kg / m 2:
- mrežasta podloga - podloga od saća	1,7-1,85 1,4-1,5	1,9 1,6	0,3
Pogoršanje pogonske struje za CAC,%
- 10 godina GEO-a - 10 godina LEO-a - 10 godina u eliptičnim i srednjim orbitama	20 20 30	15 15 25	Radijacija degradacija ~7%