Baterie solară spațială de producție străină. Ecowatt: baterii și panouri solare în spațiu. Nava spațială a misiunii „Luna”

Acestea sunt convertoare fotovoltaice - dispozitive semiconductoare care transformă energia solară în curent electric continuu. În termeni simpli, acestea sunt elementele de bază ale a ceea ce numim „panouri solare”. Cu ajutorul unor astfel de baterii, sateliții artificiali de pământ funcționează pe orbite spațiale. Astfel de baterii sunt fabricate aici în Krasnodar - la uzina Saturn. Conducerea fabricii l-a invitat pe autorul acestui blog să se uite la proces de fabricațieși spuneți despre asta în jurnalul dvs.

1. Întreprinderea din Krasnodar face parte din Agenția Spațială Federală, dar Saturn este deținută de compania Ochakovo, care a salvat literalmente această producție în anii 90. Proprietarii de la Ochakovo au cumpărat un pachet de control, care aproape a revenit americanilor. „Ochakovo” a investit aici fonduri mari, cumpărate echipament modern, a reușit să rețină specialiști iar acum „Saturn” este unul dintre cei doi lideri de pe piața rusă pentru producția de baterii solare și de acumulare pentru nevoile industriei spațiale – civilă și militară. Tot profitul pe care îl primește Saturn rămâne aici în Krasnodar și merge către dezvoltarea bazei de producție.

2. Deci, totul începe aici - pe site-ul așa-numitului. epitaxie în fază gazoasă. În această cameră există un reactor cu gaz, în care un strat cristalin este crescut pe un substrat de germaniu timp de trei ore, care va servi drept bază pentru o viitoare fotocelulă. Costul unei astfel de instalații este de aproximativ trei milioane de euro.

3. După aceea, substratul mai are un drum lung de parcurs: contactele electrice vor fi aplicate pe ambele părți ale fotocelulei (mai mult, pe partea de lucru, contactul va avea un „model pieptene”, ale cărui dimensiuni sunt atent calculată pentru a asigura transmisia maximă a razelor solare), va apărea un antireflex pe învelișul substratului etc. - peste doua duzini de operatii tehnologice in total la diverse instalatii inainte ca fotocelula sa devina baza unei baterii solare.

4. De exemplu, o configurație de fotolitografie. Aici, pe fotocelulele se formează „modelele” de contacte electrice. Aparatul efectuează automat toate operațiunile, conform unui program dat. Aici și lumina este potrivită, ceea ce nu dăunează stratului fotosensibil al celulei foto - ca și înainte, în epoca fotografiei analogice, am folosit lămpi „roșii”.

5. În vidul unității de depunere se aplică contacte electrice și dielectrice cu ajutorul unui fascicul de electroni și se aplică acoperiri antireflex (acestea cresc curentul generat de fotocelula cu 30%).

6. Ei bine, fotocelula este gata și poți începe asamblarea bateriei solare. Anvelopele sunt lipite de suprafața fotocelulei, pentru a le conecta apoi între ele, iar pe acestea se lipește o sticlă de protecție, fără de care în spațiu, în condiții de radiație, fotocelula poate să nu reziste la sarcini. Și, deși grosimea sticlei este de doar 0,12 mm, o baterie cu astfel de fotocelule va funcționa mult timp pe orbită (pe orbite înalte mai mult de cincisprezece ani).

7. Conexiunea electrică a fotocelulelor între ele se realizează prin contacte de argint (se numesc bare colectoare) cu o grosime de numai 0,02 mm.

8. Pentru a obține tensiunea necesară în rețea, generată de bateria solară, fotocelulele sunt conectate în serie. Așa arată secțiunea celulelor fotovoltaice conectate în serie (convertoare fotovoltaice - așa e).

9. La final, panoul solar este asamblat. Doar o parte a bateriei este afișată aici - un panou în format de aspect. Pe un satelit pot exista până la opt astfel de panouri, în funcție de cantitatea de energie necesară. Pe sateliții moderni de comunicații, atinge 10 kW. Astfel de panouri vor fi montate pe un satelit, în spațiu se vor desfășura ca niște aripi și cu ajutorul lor ne vom uita la TV prin satelit, folosim internet prin satelit, sisteme de navigație (sateliții Glonass folosesc Krasnodar panouri solare).

10. Când nava este iluminată de Soare, electricitatea generată de bateria solară alimentează sistemele navei spațiale, iar energia în exces este stocată în baterie. Când nava spațială se află în umbra Pământului, nava spațială folosește electricitatea stocată în baterie. Bateria nichel-hidrogen, având o capacitate energetică mare (60 W h/kg) și o resursă aproape inepuizabilă, este utilizată pe scară largă în navele spațiale. Producția de astfel de baterii este o altă parte a activității plantei Saturn.

În această fotografie, asamblarea bateriei de stocare nichel-hidrogen este efectuată de deținătorul Medaliei Ordinului Meritul Patriei, gradul II, Anatoly Dmitrievich Panin.

10a

11. Loc pentru asamblarea bateriilor nichel-hidrogen. Umplerea bateriei este pregătită pentru a fi plasată în carcasă. Umplutura este formată din electrozi pozitivi și negativi separați prin hârtie de separare - în ei are loc transformarea și acumularea energiei.

12. Instalatie pentru sudarea cu fascicul de electroni in vid, cu ajutorul careia este realizata carcasa bateriei din metal subțire.

13. Secțiunea atelierului, unde se testează corpurile și părțile acumulatorilor la presiune înaltă.
Datorită faptului că acumularea de energie în baterie este însoțită de formarea hidrogenului, iar presiunea din interiorul bateriei crește, testarea scurgerilor este o parte integrantă a procesului de fabricare a bateriei.

14. Corpul bateriei cu nichel-hidrogen este o parte foarte importantă a întregului dispozitiv care funcționează în spațiu. Corpul este proiectat pentru o presiune de 60 kg·s/cm2, în timpul testelor, ruptura a avut loc la o presiune de 148 kg·s/cm2.

15. Bateriile testate sunt umplute cu electrolit și hidrogen, după care sunt gata de utilizare.

16. Corpul unei baterii de stocare nichel-hidrogen este realizat dintr-un aliaj special de metale și trebuie să fie rezistent mecanic, ușor și să aibă o conductivitate termică ridicată. Bateriile sunt instalate în celule și nu se ating între ele.

17. Bateriile și bateriile asamblate din acestea sunt testate electric în instalații producție proprie... Nu va mai fi posibil să reparați sau să înlocuiți nimic în spațiu, așa că fiecare produs este testat minuțios aici.

17a

17b

18. Toată tehnologia spațială este testată pentru stres mecanic folosind suporturi de vibrații, care simulează sarcinile în timpul lansării unei nave spațiale pe orbită.

18a

19. În general, planta Saturn a făcut cea mai favorabilă impresie. Producția este bine organizată, atelierele curate și luminoase, oamenii calificați, comunicarea cu astfel de specialiști este o plăcere și foarte interesantă pentru o persoană, cel puțin într-o oarecare măsură interesată de spațiul nostru. Am lăsat „Saturn” pentru stare foarte bună- este întotdeauna plăcut să ne uităm la locul nostru unde nu se angajează în discuții inactiv și nu schimbă hârtiile, ci fac o afacere reală, serioasă, concurează cu succes cu aceiași producători din alte țări. Ar fi mai multe din asta în Rusia.

Fotografii: © drugoi

P.S. Blogul vicepreședintelui de marketing la Ochakovo

Panourile solare sunt adesea destul de mari, așa că este dificil să găsești genul de obiecte imobiliare pe care să le așezi. S-a dezvoltat o companie elvețiană noua abordareși și-a găsit propriile modalități de a rezolva această problemă. Compania lansează o insulă plutitoare acoperită cu panouri solare pe lacul Neuchâtel. Fiecare dintre cele trei insule planificate cu un diametru de 25 de metri va putea găzdui 100 de panouri fotovoltaice care vor funcționa în următorii 25 de ani. Insulele vor fi folosite și în scopuri de cercetare.

Recent, companiile de transport maritim recurg din ce în ce mai mult la utilizarea intensivă energie solara amplasarea panourilor solare la bord. Panourile solare ale navei au fost instalate pentru prima dată la Shanghai în 2010. Nava era echipată cu un panou solar imens realizat sub formă de pânză. Iahtul Turanor PlanetSolar, care și-a încheiat recent circumnavigarea lumii folosind energia solară, se bazează pe același principiu.

Panouri solare pe cer

2013 a fost un an record pentru utilizarea panourilor solare ca sursă de energie pentru aeronave. Solar Impulse a dezvoltat cel mai lung avion din lume alimentat cu energie solară. Avionul a zburat prin America în această vară.

Desigur, zburați cu energie solară, până acum doar cei mici pot, aeronave fără pilot... Panourile solare facilitează foarte mult construcția de drone și măresc timpul de posibilă ședere a acestora în aer.

Un exemplu de utilizare a panourilor solare în aer este un lift situat la înălțime în munți, care este capabil să ridice oamenii în vârful muntelui folosind energia solară.

Panouri solare în spațiu

Cercetătorii de la Universitatea Carnegie Mellon au creat un prototip de rover de explorare, care este planificat să fie trimis pe Lună pe o rachetă SpaceX în viitor. Dispozitivul, numit Polaris, este alimentat integral de energie solară. Polaris va fi folosit pentru a studia latitudinile lunare polare. Rover-ul este echipat cu un special software ceea ce îl va ajuta să lucreze în zonele mai întunecate ale satelitului.

Probabil ați auzit și despre cantitatea mare de resturi spațiale de pe orbită. Ar fi frumos să restaurăm acești sateliți și să-i returnăm pe pământ pentru reparații și să revenim în continuare pe orbită. Această idee a stat la baza concept nou Solara, un dispozitiv alimentat cu energie solară care nu necesită reparații permanente. Un satelit atmosferic dezvoltat de Titan Aerospace. Solara a reușit să funcționeze în cea mai înaltă atmosferă timp de cinci ani consecutivi.

Cea mai recentă și cea mai ambițioasă speranță este un proiect al unei firme japoneze care intenționează să construiască o serie de celule solare în jurul ecuatorului lunii și apoi să lanseze un fascicul de energie înapoi pe Pământ. Crearea „Inelului Lunii” va dura aproximativ 30 de ani. Potrivit specialiștilor companiei, inelul lunar va genera până la 13.000 TW (teravați) de energie constantă.

Aceste dispozitive semiconductoare transformă energia solară în curent continuu. În termeni simpli, acestea sunt elementele de bază ale a ceea ce numim „panouri solare”. Cu ajutorul unor astfel de baterii, sateliții artificiali de pământ funcționează pe orbite spațiale. Astfel de baterii sunt fabricate aici în Krasnodar - la uzina Saturn. Mergem acolo pentru o excursie.

Întreprinderea din Krasnodar face parte din Agenția Spațială Federală, dar Saturn este deținută de compania Ochakovo, care a salvat literalmente această producție în anii '90. Proprietarii de la Ochakovo au cumpărat un pachet de control, care aproape a revenit americanilor.

Aici s-au investit fonduri mari și au fost achiziționate echipamente moderne, iar acum Saturn este unul dintre cei doi lideri de pe piața rusă pentru producția de baterii solare și de stocare pentru nevoile industriei spațiale - civilă și militară. Tot profitul pe care îl primește Saturn rămâne aici în Krasnodar și merge către dezvoltarea bazei de producție.

Deci, totul începe aici - pe site-ul așa-numitului. epitaxie în fază gazoasă. În această cameră există un reactor cu gaz, în care un strat cristalin este crescut pe un substrat de germaniu timp de 3 ore, care va servi drept bază pentru o viitoare fotocelulă. Costul unei astfel de instalații este de aproximativ 3 milioane de euro:

După aceea, substratul mai are un drum lung de parcurs: contactele electrice vor fi aplicate pe ambele părți ale fotocelulei (mai mult, pe partea de lucru, contactul va avea un „model pieptene”, ale cărui dimensiuni sunt calculate cu atenție pentru a asigura o transmisie maxima a razelor solare), va aparea un strat antireflex pe substrat, etc. - peste doua duzini de operatii tehnologice in total la diverse instalatii inainte ca fotocelula sa devina baza unei baterii solare.

De exemplu, instalatie de fotolitografie... Aici, pe fotocelulele se formează „modelele” de contacte electrice. Aparatul efectuează automat toate operațiunile, conform unui program dat. Iată lumina corespunzătoare, care nu dăunează stratului fotosensibil al celulei foto - ca și înainte, în epoca fotografiei analogice, am folosit lămpi „roșii” ^

În vidul unității de depunere, contactele electrice și dielectricii sunt aplicate folosind un fascicul de electroni și sunt aplicate acoperiri antireflex (acestea cresc curentul generat de fotocelula cu 30%):

Ei bine, fotocelula este gata și poți începe asamblarea bateriei solare. Anvelopele sunt lipite de suprafața fotocelulei, pentru a le conecta apoi între ele, iar pe acestea se lipește o sticlă de protecție, fără de care în spațiu, în condiții de radiație, fotocelula poate să nu reziste la sarcini. Și, deși grosimea sticlei este de doar 0,12 mm, o baterie cu astfel de fotocelule va funcționa mult timp pe orbită (pe orbite înalte mai mult de 15 ani).

Conexiunea electrică a fotocelulelor între ele se realizează prin contacte de argint (se numesc bare colectoare) cu o grosime de numai 0,02 mm.

Celulele solare sunt conectate în serie pentru a obține tensiunea necesară în rețea, generată de bateria solară. Așa arată secțiunea celulelor fotovoltaice conectate în serie (convertoare fotovoltaice - așa este):

La final, panoul solar este asamblat. Doar o parte a bateriei este afișată aici - un panou în format de aspect. Pe un satelit pot exista până la opt astfel de panouri, în funcție de cantitatea de energie necesară. Pe sateliții moderni de comunicații, atinge 10 kW. Panourile vor fi montate pe un satelit, în spațiu se vor desfășura ca niște aripi și cu ajutorul lor ne vom uita la TV prin satelit, vom folosi internet prin satelit, sisteme de navigație (sateliții Glonass folosesc baterii solare Krasnodar):

Când nava spațială este iluminată de soare, electricitatea generată de bateria solară alimentează sistemele navei spațiale, iar excesul de energie este stocat în baterie. Când nava spațială se află în umbra Pământului, nava spațială folosește electricitatea stocată în baterie. Baterie nichel hidrogen, având o intensitate energetică mare (60 W h/kg) și o resursă aproape inepuizabilă, este utilizat pe scară largă în navele spațiale. Producția de astfel de baterii este o altă parte a activității plantei Saturn.

În această fotografie, asamblarea bateriei de stocare cu nichel-hidrogen este efectuată de deținătorul medaliei Ordinului Meritul Patriei, gradul II, Anatoly Dmitrievich Panin:

Locație pentru asamblarea bateriilor nichel-hidrogen. Umplerea bateriei este pregătită pentru a fi plasată în carcasă. Umplutura este formată din electrozi pozitivi și negativi, separați prin hârtie de separare - în ei are loc transformarea și acumularea de energie:

Instalatie pentru sudarea cu fascicul de electroniîn vid cu care carcasa bateriei este din metal subțire:

Secțiunea magazinului în care carcasele și părțile acumulatorilor sunt testate pentru presiune înaltă. Datorită faptului că acumularea de energie în baterie este însoțită de formarea hidrogenului, iar presiunea din interiorul bateriei crește, testarea scurgerilor este o parte integrantă a procesului de fabricare a bateriei:

Carcasa bateriei nichel-hidrogen este o parte foarte importantă a întregului dispozitiv care funcționează în spațiu. Carcasa este proiectata pentru o presiune de 60 kg s/cm2, in timpul testelor ruptura a avut loc la o presiune de 148 kgs/cm2:

Bateriile dovedite sunt umplute cu electrolit și hidrogen, după care sunt gata de utilizare:

Carcasa unei baterii de stocare nichel-hidrogen este realizată dintr-un aliaj special de metale și trebuie să fie rezistentă mecanic, ușoară și să aibă o conductivitate termică ridicată. Bateriile sunt instalate în celule și nu se ating între ele:

Bateriile și bateriile asamblate din acestea sunt testate electric în propriile noastre unități de producție. Nu va mai fi posibil să reparați sau să înlocuiți nimic în spațiu, așa că fiecare produs este testat minuțios aici.

Toată tehnologia spațială este supusă unor teste mecanice de stres folosind suporturi de vibrații, care simulează sarcinile în timpul lansării unei nave spațiale pe orbită.

În general, planta Saturn a făcut cea mai favorabilă impresie. Producția este bine organizată, atelierele curate și luminoase, oamenii calificați, comunicarea cu astfel de specialiști este o plăcere și foarte interesantă pentru o persoană, cel puțin într-o oarecare măsură interesată de spațiul nostru. Am părăsit Saturn într-o dispoziție excelentă - este întotdeauna frumos să ne uităm la locul nostru unde nu se angajează în discuții inactiv și nu schimbă documentele, ci fac o chestiune reală, serioasă, concurează cu succes cu aceiași producători din alte țări. Ar fi mai multe din asta în Rusia.

Russian Space Systems Holding (RCS, parte a Roscosmos) a finalizat crearea unui sistem de protecție electrică modernizat pentru bateriile solare produse pe plan intern. Aplicația sa va prelungi semnificativ durata de viață a surselor de alimentare a navelor spațiale și va face din bateriile solare rusești una dintre cele mai eficiente energetic din lume. Evoluția este raportată într-un comunicat de presă primit de redacție.

Designul noilor diode a folosit un patentat solutii tehnice, care și-au îmbunătățit semnificativ caracteristicile operaționale și le-au crescut fiabilitatea. Astfel, utilizarea unei izolații dielectrice multistrat special dezvoltată a cristalului permite diodei să reziste la tensiuni inverse de până la 1,1 kilovolți. Datorită acestui fapt, noua generație de diode de protecție poate fi utilizată cu cele mai eficiente convertoare fotovoltaice (PEC) disponibile. Anterior, când diodele erau instabile la tensiune inversă mare, era necesar să nu se aleagă probele cele mai eficiente.

Pentru a crește fiabilitatea și durata de viață a diodelor, RKS a creat noi magistrale de comutare multistrat de diode pe bază de molibden, datorită cărora diodele rezistă la peste 700 de șocuri termice. Șocul termic este o situație tipică pentru celulele fotovoltaice din spațiu, când în timpul trecerii de la partea iluminată a orbitei la cea umbrită de Pământ, temperatura se modifică cu peste 300 de grade Celsius în câteva minute. Componentele standard ale bateriilor solare terestre nu pot rezista la acest lucru, iar resursa celor spațiale este în mare măsură determinată de numărul de șocuri termice cărora le pot supraviețui.

Durata de viață activă a bateriei solare a navei spațiale, echipată cu noi diode, va crește la 15,5 ani. Dioda poate fi stocată pe Pământ încă 5 ani. Astfel, generalul perioada de garantie funcționarea diodelor de nouă generație este de 20,5 ani. Fiabilitatea ridicată a dispozitivului este confirmată de teste independente de viață, în timpul cărora diodele au rezistat la mai mult de șapte mii de cicluri termice. Tehnologia de producție de grup dezvoltată permite RKS să producă peste 15 mii de diode de nouă generație pe an. Livrările lor sunt planificate să înceapă în 2017.

Noile fotocelule vor rezista până la 700 de scăderi de temperatură cu 300 de grade Celsius și vor putea funcționa în spațiu mai mult de 15 ani

Bateriile solare pentru spațiu constau din convertoare fotovoltaice (PV) care măsoară 25x50 milimetri. Suprafața panourilor solare poate ajunge la 100 metri patrati(pentru stațiile orbitale), deci pot exista o mulțime de FEP într-un singur sistem. FEP-urile sunt aranjate în lanțuri. Fiecare șir individual se numește „șir”. În spațiu, celulele solare individuale sunt lovite periodic de razele cosmice, iar dacă nu ar avea nicio protecție, atunci întreaga baterie solară, în care se află convertorul afectat, s-ar putea defecta.

Baza sistemului de protecție a bateriilor solare este alcătuită din diode - dispozitive mici instalate într-un set cu o celulă solară. Când bateria solară cade parțial sau complet la umbră, celulele solare, în loc să furnizeze curent bateriilor, încep să o consume - o tensiune inversă trece prin celulele solare. Pentru a preveni acest lucru, pe fiecare FEP este instalată o diodă shunt, iar pe fiecare „șir” este instalată o diodă de blocare. Cu cât FEP este mai eficient, cu atât produce mai mult curent, cu atât tensiunea inversă va fi mai mare atunci când bateria solară cade în umbra Pământului.

Dacă dioda de șunt „nu trage” tensiunea inversă peste o anumită valoare, celulele fotovoltaice vor trebui să fie mai puțin eficiente, astfel încât atât curentul de încărcare direct al bateriilor, cât și curentul invers al descărcării nedorite să fie minime. Când, în timp, sub influența factorilor destabilizatori ai spațiului cosmic, celulele solare individuale sau imediat „șirul” eșuează, astfel de elemente sunt pur și simplu tăiate, fără a afecta celulele solare de lucru și alte „șiruri”. Acest lucru le permite celorlalte convertizoare, încă funcționale, să continue să funcționeze. Astfel, eficienta energetica si durata de viata activa a bateriei solare depind de calitatea diodelor.

În URSS, pe bateriile solare se foloseau doar diode de blocare, care, în cazul unei defecțiuni a unui FEP, opreau imediat un întreg lanț de convertoare. Din această cauză, degradarea celulelor solare de pe sateliții sovietici a fost rapidă și nu au funcționat foarte mult timp. Acest lucru a făcut necesară fabricarea și lansarea dispozitivelor pentru a le înlocui mai des, ceea ce era foarte scump. Din anii 1990, la crearea navelor spațiale autohtone, au fost folosite FEP-uri de fabricație străină, care au fost achiziționate complet cu diode. Situația s-a inversat abia în secolul XXI.