Panouri solare pentru spațiu. Ecowatt: Baterii și panouri solare în spațiu. Crearea de celule solare pe bază de siliciu monocristalin

Invenția se referă la rachete și tehnologie spațială, și anume la elemente structurale ale bateriilor solare pentru nave spațiale. Panoul suport al bateriei solare a navei spațiale cuprinde un cadru și un suport superior și inferior. Un material de umplutură în formă de fagure este instalat ermetic între bazele menționate și cadru, iar partițiile portante sunt perpendiculare pe baze. Pentru a comunica volumele interne ale fagurelui între ele, fiecare dintre exemplele de realizare ale invenției prevede implementarea găurilor de drenaj în suprafețele laterale ale fiecărui fagure al agregatului și al partițiilor de forță. Pentru a comunica volumele interne ale fagurelui cu mediul extern, prima variantă de realizare a invenției prevede implementarea găurilor de drenaj în cel puțin un element de cadru, a doua variantă de realizare a invenției prevede implementarea orificiilor de drenare în baza inferioară a panoului uniform pe suprafața sa, iar a treia variantă de realizare a invenției prevede implementarea găurilor de drenaj cel puțin măsurați într-un singur element de cadru și în baza inferioară a panoului uniform pe suprafața sa. În acest caz, suprafețele totale ale orificiilor de drenaj din elementele structurale menționate ale panoului lagăr sunt determinate luând în considerare volumul total al mediului gazos din faguri, debitele găurilor de drenaj și căderea maximă de presiune a mediului gazos care acționează pe baza panoului de-a lungul traseului de zbor al vehiculului de lansare. Invenția face posibilă creșterea rezistenței structurale a panourilor solare purtătoare ale navei spațiale fără a crește masa acestora, simplificarea tehnologiei pentru fabricarea și instalarea panourilor și creșterea fiabilității funcționării acestora. 3 n.p. f-ly, 4 dwg

Invenția se referă la domeniul aerogazdinamicii aeronavelor (AC) și poate fi utilizată în rachetă în proiectarea și crearea panourilor solare (SB) ale navei spațiale (SC), realizate conform unei scheme de transport în trei straturi.

Cunoscut și utilizat pe scară largă în aviație la fabricarea elementelor aeronavei (fuselaj, empenaj, aripi etc.) panouri realizate conform unei scheme de rulmenți cu trei straturi, conținând un cadru (cadru), care poartă bazele superioare și inferioare, între care este instalat un material de umplutură sub formă de faguri.

Concepute pentru percepția și transmiterea sarcinilor distribuite care acționează asupra elementelor aeronavei, panourile realizate în conformitate cu o schemă cu trei straturi, cu un miez de tip fagure, oferă o rigiditate mai mare și o capacitate portantă mare. Când panoul este încărcat, un miez de fagure rigid și ușor absoarbe forfecarea laterală și protejează straturile portante subțiri de flambaj sub compresie longitudinală.

Dezavantajele acestei soluții tehnice includ greutatea crescută a elementelor cadrului și a bazelor de susținere ale panourilor datorită căderilor de presiune semnificative care acționează asupra elementelor panoului de-a lungul traseului de zbor al aeronavei atunci când altitudinea zborului avionului se schimbă.

Cunoscut folosit în panourile științifice pentru rachete SB KA, destinate instalării elementelor sensibile (convertoare fotoelectrice) ale sistemului de alimentare cu energie a KA. Panourile sunt, de asemenea, realizate în conformitate cu o schemă portantă cu trei straturi și conțin un cadru care transportă bazele superioare și inferioare, între care este instalat ermetic un material de umplutură în formă de fagure, precum și pereții despărțitori, montați ermetic perpendicular pe baze pentru a crește rigiditatea panoului. Pentru a reduce greutatea structurii panourilor SB, cadrul, bazele lagărelor și pereții despărțitori sunt realizate din materiale ușoare.

Panourile portante SB KA utilizate în rachetă, precum și panourile utilizate în aviație, oferă o rigiditate mai mare și o capacitate portantă ridicată a structurii cu trei straturi a panoului SB cu umplutură de tip fagure.

Dezavantajele acestei soluții tehnice includ rezistența structurală redusă a panourilor portante SB și posibilitatea pierderii stabilității sale generale și locale în cazul unor abateri în tehnologia de fabricație și funcționare a panoului, datorită sarcinilor aerogazdinamice mai semnificative care acționează asupra elementelor panourilor SC SB în comparație cu sarcinile aeronavelor. În acest caz, presiunea externă care acționează asupra panoului SC de-a lungul traseului de zbor al vehiculului de lansare (LV) variază pe o gamă mai largă: de la atmosferică (la nivelul Pământului la lansarea BT) până la practic zero atunci când este lansată în spațiul interplanetar și presiunea din interiorul panoului sigilat. de-a lungul traseului de zbor, LV rămâne atmosferic.

Obiectivul invenției este de a crește rezistența structurală a panourilor de rulmenți SC fără a crește masa lor atunci când SC este lansat de vehiculul de lansare în spațiul interplanetar.

Problema este rezolvată în așa fel (opțiunea 1) încât în \u200b\u200bpanoul de rulment SB KA, care conține un cadru, care transportă bazele superioare și inferioare, între care este instalat ermetic un material de umplutură în formă de fagure, partiții de forță, instalate ermetic perpendicular pe baze, conform invenției, pe suprafețele laterale ale fiecărui fagure de umplutură. iar partițiile sunt realizate prin găuri de drenaj, comunicând volumele interne ale fagurelui între ele, iar în cadru, cel puțin într-un element de cadru, se realizează găuri de drenaj care comunică volumele interne ale fagurelui cu mediul extern, în timp ce aria efectivă totală a deschiderilor de drenaj în faguri, partiții și cadrul este determinat din rapoartele:

S 2 [cm 2] - aria totală a găurilor de drenaj din cadru;

a, b - coeficienți în funcție de parametrii traiectoriei vehiculului de lansare, aproximând curba dependenței zonei efective a găurilor de drenaj din cadru de căderea maximă de presiune de-a lungul traiectoriei care acționează pe bazele panourilor.

Problema este, de asemenea, rezolvată în așa fel (opțiunea 2) încât în \u200b\u200bpanoul de rulment SB KA, care conține un cadru, care transportă bazele superioare și inferioare, între care este instalat ermetic un material de umplutură în formă de fagure, partiții de forță, instalate ermetic perpendicular pe baze, conform invenției, pe suprafețele laterale ale fiecărui fagure a umpluturii și pereților despărțitori, se fac găuri de drenaj, comunicând volumele interne ale fagurelui între ele, iar în baza inferioară a panoului, găurile de drenaj sunt realizate uniform pe suprafața sa, comunicând volumele interne ale fagurelui cu mediul extern, în timp ce aria efectivă totală a găurilor de drenaj din faguri, pereți despărțitori și baza inferioară determinat din rapoartele:

S 1 [cm 2] - aria totală a găurilor de drenaj de pe suprafața finală a fagurelui;

S 3 [cm 2] - suprafața totală a găurilor de drenaj din baza inferioară;

V [m 3] - volumul total al mediului gazos din celule;

μ.GIF; 1 - coeficientul de descărcare a găurilor de drenaj în faguri și pereți despărțitori;

μ.GIF; 3 - coeficientul de descărcare a găurilor de drenaj din baza inferioară;

Δ.GIF; P [kgf / cm 2] - cădere maximă de presiune a mediului gazos de-a lungul traiectoriei de zbor LV, acționând pe baza panoului;

a, b - coeficienți care depind de parametrii traiectoriei vehiculului de lansare, aproximând curba dependenței zonei efective a găurilor de drenaj din bazele panourilor de căderea maximă de presiune de-a lungul traiectoriei care acționează asupra bazei panoului.

Problema este, de asemenea, rezolvată în așa fel (opțiunea 3) încât în \u200b\u200bpanoul de rulment SB KA, care conține un cadru care transportă bazele superioară și inferioară, între care este instalat ermetic un material de umplutură în formă de fagure, partiții de forță, instalate ermetic perpendicular pe baze, conform invenției, pe suprafețele laterale ale fiecărui fagure. umplutură și partiții realizate prin găuri de drenaj, comunicând volumele interne ale fagurelui între ele, iar în cadru, cel puțin într-un element de cadru, și în baza inferioară a panoului, găurile de drenaj sunt realizate uniform pe suprafața sa, comunicând volumele interne ale fagurelui cu mediul extern, atunci când aria efectivă totală a găurilor de drenaj în fagure, pereți despărțitori, cadru și baza inferioară este determinată din rapoartele:

S 1 [cm 2] - aria totală a găurilor de drenaj de pe suprafața finală a fagurelui;

S 2, S 3 [cm 2] - aria totală a găurilor de drenaj din cadru și, respectiv, baza inferioară;

V [m 3] - volumul total al mediului gazos din celule;

μ.GIF; 1 - coeficientul de descărcare a găurilor de drenaj în faguri și pereți despărțitori;

μ.GIF; 2, μ.GIF; 3 - coeficientul de descărcare al orificiilor de drenaj din cadru și respectiv baza inferioară a panoului;

Δ.GIF; P [kgf / cm 2] este căderea maximă de presiune a mediului gazos de-a lungul traiectoriei de zbor LV, acționând asupra bazei panoului;

Rezultatele tehnice ale invenției sunt:

Reducerea căderilor de presiune care acționează asupra bazelor și elementelor sensibile ale panoului SB la căderile minime admisibile de presiune care acționează asupra pereților fagurelui de umplere;

Determinarea zonei eficiente a găurilor de drenaj în fagure, cadru, baze de susținere și partiții ale panoului;

Determinarea influenței parametrilor traiectoriei (numărul M, altitudinea de zbor H) asupra zonei efective a găurilor de drenaj.

Esența invenției este ilustrată prin diagramele panoului SB KA și graficul modificărilor presiunilor excesive care acționează asupra elementelor sale.

Figurile 1, 2 și 3 arată diagramele panoului SB SC, realizate respectiv în opțiunile 1, 2 și 3, iar fragmentele sale sunt evidențiate, unde:

2 - baza superioară;

3 - baza inferioară;

4 - umplutură;

5 - partiții;

6 - găuri de drenaj;

7 - elemente sensibile.

Aici, săgețile arată direcția fluxului mediului gazos în fagure de umplere a panoului și ieșirea acestuia în mediul extern.

Figura 4 prezintă dependența căderii maxime de presiune Δ.GIF de-a lungul traseului de zbor al LV; Р (Δ.GIF; Р \u003d Рвн-Рнр) a mediului gazos care acționează pe baza panourilor, din zona relativă efectivă a secțiunilor de trecere ale găurilor de drenaj μ.GIF; S / V, unde:

Рвн - presiunea mediului gazos din interiorul panoului (în fagure de umplutură);

Rnar este presiunea mediului gazos din afara panoului.

Panoul de susținere SB KA (Fig. 1, 2, 3) conține un cadru 1, care transportă o bază superioară 2 și o bază inferioară 3, precum și partiții de putere 5, instalate perpendicular pe aceste baze. Un material de umplutură în formă de fagure 4 este etanșat între baze. Elementele sensibile 7 ale sistemului de alimentare cu energie a navei spațiale sunt instalate pe baza superioară 2.

Pe suprafețele laterale ale fiecărui fagure de umplutură 4 și ale pereților despărțitori de putere 5, spre deosebire de prototip, în fiecare versiune există găuri de drenaj 6, care comunică volumele interne ale fagurii între ele și cu mediul extern (vezi vizualizarea A și secțiunea BB).

În varianta 1 (Fig. 1), volumele interne ale fagurelui comunică cu mediul extern prin intermediul găurilor de drenaj 6 realizate în cadrul 1 în cel puțin unul dintre elementele sale.

În varianta 2 (Fig. 2), volumele interne ale fagurelui comunică cu mediul extern prin intermediul găurilor de drenaj 6 realizate în baza inferioară de susținere 3, distanțate uniform peste zona bazei sale.

În opțiunea 3 (Fig. 3), volumele interne ale fagurelui comunică cu mediul extern prin găurile de drenaj 6 realizate în cadrul 1, cel puțin într-unul dintre elementele sale, precum și în baza inferioară de susținere 3, distanțată uniform peste zona bazei sale.

Datorită aranjamentului uniform al găurilor de drenaj peste zona bazei panoului, este prevăzută o distribuție uniformă sau aproape uniformă a presiunii în fagurele agregatului și, în consecință, căderile de presiune care acționează asupra bazei panoului. Astfel, concentrațiile de solicitare la joncțiunea elementelor panoului din căderile de presiune inegale sunt eliminate, ceea ce duce la o simplificare a tehnologiei de fabricație a panoului și la o creștere a fiabilității funcționării sale în prezența unor defecte ascunse în fabricarea sa, de exemplu, atunci când elementele individuale ale fagurii de umplutură nu sunt lipite cu baze de susținere.

Alegerea opțiunii de drenaj pentru panouri este determinată de sarcinile operaționale admisibile care acționează pe bazele panourilor de-a lungul traseului de zbor al vehiculului de lansare, ținând seama de designul și caracteristicile tehnologice ale fabricării panourilor.

Suprafața efectivă totală a găurilor de drenaj din cadrul 1, în fagure de umplutură 4, partițiile 5 și baza inferioară 3 pentru o anumită cale de zbor a vehiculului de lansare este determinată de relațiile (1), (2) și (3), pentru opțiunile 1, 2 și respectiv 3, cu luând în considerare coeficienții a, b incluși în aceste rapoarte, care depind de parametrii traiectoriei BT.

Formulele (1), (2) și (3) conțin o descriere matematică a dependenței ariei efective relative totale a găurilor de drenaj μ.GIF; · S / V de la căderea maximă de presiune Δ.GIF de-a lungul traseului de zbor al VS; P și obținut din analiza fluxului mediului gazos în sistemul de containere interconectate dinamice gazoase formate din fagure drenat de umplutură 4 cu partiții de forță 5, baza superioară 2 și baza inferioară 3, urmată de ieșirea sa în mediul extern.

În rachetă, cadrul 1 este realizat din fibră de carbon, bazele de susținere 2 și 3, precum și partițiile de putere 5 sunt realizate din titan. Umplutura 4 sub formă de faguri este realizată dintr-un aliaj de aluminiu și este atașată ermetic la baza superioară 2 și la baza inferioară 3 a panoului folosind, de exemplu, lipici pentru aviație VKV-9. Elementele sensibile 7 SB sunt, de asemenea, atașate la baza superioară 2.

Placa de transport SB KA funcționează după cum urmează.

Deoarece în suprafețele laterale ale fiecărui fagure de umplutură 4 și elementele panoului (Fig. 1, 2 și 3), spre deosebire de prototip, se fac găuri de drenaj 6, în timpul zborului navei spațiale ca parte a vehiculului de lansare, precum și în zborul autonom al navei spațiale, după ce au fost aruncate carenajele unitatea principală, mediul gazos curge între celulele umpluturii 4, partițiile forței 5 și ieșirea acesteia prin orificiile de drenaj din cadrul 1 și baza inferioară 6 în mediul extern (vezi secțiunea de pe BB). Revărsarea mediului gazos are loc cu o întârziere nesemnificativă în egalizarea presiunii în fagure de umplutură 4.

În acest caz, ieșirea mediului gazos din fagurele agregatului 4 în mediul extern are loc la o viteză subsonică fără blocarea acestuia în fagurul umpluturii 4, deoarece suprafețele efective totale μ.GIF; 2 S 2 găuri de scurgere 6 în cadrul 1 și μ.GIF; 3 · S 3 - în baza inferioară 3 sunt făcute mai mari sau egale cu suprafața efectivă totală μ.GIF; 1 S 1 în celule agregate 4 cu deflectoare de putere 5 (μ.GIF; 2 S 2 ≥.GIF; μ.GIF; 1 S 1, μ.GIF; 3 S 3 ≥.GIF; μ.GIF; 1 S 1).

În timpul zborului navei spațiale ca parte a unității de cap LV, se realizează căderea maximă de presiune Δ.GIF; P (figura 4), acționând pe baza panourilor 2 și 3, în conformitate cu formulele (1), (2) și (3). În acest caz, mediul gazos din fagure de umplutură 4 curge într-un volum închis sub carenajul capului, scăderea de presiune maximă admisibilă în care, în comparație cu cea exterioară de-a lungul traseului de zbor al vehiculului de lansare, este determinată în conformitate cu o soluție tehnică cunoscută care utilizează un sistem de drenare a compartimentului.

Într-un zbor autonom al navei spațiale în interiorul panoului corpului, presiunea internă Р ВН este setată, aproape de atmosferă (atmosferă ambientală statică). Diferențe Δ.GIF; În acest caz, presiunile P între fagurii agregatului 4, precum și presiunea internă Рвн în fagurii agregatului 4 și mediul extern Pnar, care acționează pe baza superioară 2 și baza inferioară 3 a panoului, sunt aproape de zero.

Astfel, scăderile de presiune care acționează asupra elementelor panoului și a elementelor sensibile ale sistemului de alimentare a navei spațiale instalate pe acesta sunt reduse. Astfel, rezistența structurală a SC a navei spațiale este crescută fără a crește masa navei spațiale, ceea ce duce la îndeplinirea sarcinii.

În plus, datorită scăderii căderilor de presiune care acționează asupra elementelor panourilor, tehnologia de fabricație și instalare a panoului SB KA este simplificată și fiabilitatea funcționării sale este crescută.

Calculele efectuate pentru panoul corpului dezvoltat pentru nava spațială Yamal, lansat de vehiculul de lansare Proton, au arătat că presiunea scade Δ.GIF; P, care acționează pe baza panoului, în comparație cu prototipul, sunt reduse cu un ordin de mărime și sunt aproape aproape de zero.

În prezent, soluția tehnică a fost testată experimental și este implementată pe nava spațială dezvoltată de întreprindere.

Soluția tehnică poate fi utilizată pentru diferite tipuri de nave spațiale: aproape terestre, interplanetare, automate, cu echipaj și alte nave spațiale.

Soluția tehnică poate fi utilizată și în aviație, de exemplu, atunci când se utilizează panoul SB ca parte a unui element de aripă a aeronavei. În acest caz, suprafața efectivă a orificiilor de scurgere din elementele panoului este determinată luând în considerare căderile maxime de presiune care acționează asupra elementelor de aripă de-a lungul traseului de zbor al aeronavei.

Literatură

1. Aviația. Enciclopedie. M.: TsAGI, 1994, p. 529.

2. La sfârșitul a două secole (1996-2001). Ed. acad. Yu.P. Semenova. Moscova: SP Korolev RSC Energia, 2001, p. 834.

3. Brevet RU 2145563 C1.

Revendicare

1. Panoul purtător al bateriei solare a navei spațiale, care conține un cadru, care poartă bazele superioară și inferioară, între care este instalat ermetic un material de umplutură sub formă de faguri și se separă perpendicular pe baze, caracterizat prin aceea că prin suprafețele laterale ale fiecărui fagur al umpluturii și al compartimentelor de forță se realizează găuri de drenaj, comunicarea volumelor interne ale fagurelui între ele și găurile de drenaj sunt realizate în cel puțin un element de cadru, comunicând volumele interne ale fagurelui cu mediul extern, în timp ce aria efectivă totală a găurilor de drenaj din fagure, partițiile de forță și cadrul sunt determinate din rapoarte

S 2 - suprafața totală a găurilor de drenaj din cadru, cm 2;

μ.GIF; 2 - coeficientul de consum al găurilor de drenaj din cadru;

2. Panoul de susținere al bateriei solare a navei spațiale, care conține un cadru, care poartă bazele superioară și inferioară, între care este instalat ermetic un material de umplutură sub formă de faguri și împărțesc forțele perpendicular pe baze, caracterizat prin aceea că se fac găuri de drenaj pe suprafețele laterale ale fiecărui fagure de umplutură și ale pereților despărțitori, comunicând volumele interne ale fagurelui unul cu altul, iar în baza inferioară a panoului, găurile de drenaj sunt realizate uniform pe suprafața sa, comunicând volumele interne ale fagurelui cu mediul extern, în timp ce aria efectivă totală a găurilor de drenaj în fagure, partițiile de putere și baza inferioară a panoului este determinată din rapoarte

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

unde S 1 - aria totală a găurilor de drenaj din suprafețele laterale ale fagurelui și a pereților despărțitori, cm 2;

S 3 - suprafața totală a găurilor de drenaj din baza inferioară a panoului, cm 2;

V este volumul total al mediului gazos în faguri, m 3;

μ.GIF; 1 - coeficientul de descărcare a găurilor de drenaj de pe suprafețele laterale ale fagurelui și a pereților despărțitori;

μ.GIF; 3 - coeficientul de descărcare a găurilor de drenaj din baza inferioară a panoului;

Δ.GIF; P este căderea maximă de presiune a mediului gazos de-a lungul traseului de zbor al vehiculului de lansare, acționând asupra bazei panoului, kgf / cm 2;

a, b - coeficienți în funcție de parametrii traiectoriei vehiculului de lansare, aproximând curba dependenței zonei efective a găurilor de drenaj din baza inferioară a panoului de căderea maximă de presiune de-a lungul traiectoriei care acționează asupra bazei panoului.

3. Panou de susținere al bateriei solare a navei spațiale, care conține un cadru, care poartă bazele superioare și inferioare, între care este instalat ermetic un material de umplutură sub formă de faguri și partiții de alimentare perpendiculare pe baze, caracterizat prin aceea că prin suprafețele laterale ale fiecărui material de umplutură și a pereților despărțitori se realizează găuri de drenaj, comunicând volumele interne ale fagurelui între ele și în cel puțin un element al cadrului și în baza inferioară a panoului, găurile de drenaj sunt realizate uniform pe suprafața sa, comunicând volumele interne ale fagurelui cu mediul extern, în timp ce suprafața efectivă totală a găurilor de drenaj din faguri, partițiile portante, cadrul și baza inferioară a panoului sunt determinate din rapoarte

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,

unde S 1 - aria totală a găurilor de drenaj din suprafețele laterale ale fagurelui și a pereților despărțitori, cm 2;

S 2, S 3 - aria totală a găurilor de drenaj din cadru și, respectiv, baza inferioară a panoului, cm 2;

V este volumul total al mediului gazos în faguri, m 3;

μ.GIF; 1 - coeficientul de descărcare a găurilor de drenaj de pe suprafețele laterale ale fagurelui și a pereților despărțitori;

μ.GIF; 2, μ.GIF; 3 - coeficienții de curgere ai orificiilor de drenaj din cadrul și respectiv baza inferioară a panoului;

Δ.GIF; P este căderea maximă de presiune a mediului gazos de-a lungul traseului de zbor al vehiculului de lansare, acționând asupra bazei panoului, kgf / cm 2;

a, b - coeficienți în funcție de parametrii traiectoriei vehiculului de lansare, aproximând curba dependenței zonei efective a găurilor de drenaj din cadru și baza inferioară a panoului de căderea maximă de presiune de-a lungul traiectoriei care acționează asupra bazei panoului.

Baterie solară pe ISS

O baterie solară este o serie de convertoare fotovoltaice integrate (celule solare) - dispozitive semiconductoare care convertesc direct energia solară în curent electric direct, spre deosebire de colectoarele solare care încălzesc materialul purtător de căldură.

Diverse dispozitive care permit transformarea radiației solare în energie termică și electrică fac obiectul cercetării în domeniul energiei solare (din grecescul Helios Ήλιος, Helios -). Producția de celule fotovoltaice și colectoare solare se dezvoltă în direcții diferite. Panourile solare vin într-o varietate de dimensiuni, de la încorporate în microcalculatoare până la mașini și clădiri pe acoperiș.

Istorie

Primele prototipuri de celule solare au fost create de fotochimistul italian de origine armeană Giacomo Luigi Chamichan.

La 25 aprilie 1954, Laboratoarele Bell au anunțat crearea primelor celule solare pe bază de siliciu pentru a genera curent electric. Această descoperire a fost făcută de trei angajați ai companiei - Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin și Gerald Pearson. Deja 4 ani mai târziu, pe 17 martie 1958, primul cu panouri solare, Vanguard 1, a fost lansat în SUA. Doar câteva luni mai târziu, pe 15 mai 1958, Sputnik-3 a fost lansat în URSS, folosind și panouri solare.

Utilizare în spațiu

Panourile solare sunt una dintre principalele modalități de a obține energie electrică: funcționează mult timp fără a consuma materiale și, în același timp, sunt ecologice, spre deosebire de nuclear și.

Cu toate acestea, atunci când zboară la o distanță mare de Soare (dincolo de orbită), utilizarea lor devine problematică, deoarece fluxul de energie solară este invers proporțional cu pătratul distanței de la Soare. În timpul zborurilor către și, dimpotrivă, puterea bateriilor solare crește semnificativ (în regiunea Venus de 2 ori, în regiunea Mercur de 6 ori).

Eficiența fotocelulelor și a modulelor

Puterea radiației solare la intrarea în atmosferă (AM0) este de aproximativ 1366 wați pe metru pătrat (vezi și AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). În același timp, puterea specifică a radiației solare în Europa pe vreme foarte tulbure, chiar și în timpul zilei, poate fi mai mică de 100 W / m². Cu ajutorul panourilor solare obișnuite produse industrial, această energie poate fi transformată în electricitate cu o eficiență de 9-24%. În acest caz, prețul bateriei va fi de aproximativ 1-3 USD pe watt de putere nominală. Odată cu generarea industrială de energie electrică utilizând celule fotovoltaice, prețul pe kWh va fi de 0,25 USD. Potrivit Asociației Fotovoltaice Europene (EPIA), până în 2020, costul energiei electrice generate de sistemele „solare” va scădea la mai puțin de 0,10 € per kWh. h pentru instalațiile industriale și mai puțin de 0,15 EUR pe kWh pentru instalațiile din clădiri rezidențiale.

În 2009, Spectrolab (o filială Boeing) a demonstrat o celulă solară cu o eficiență de 41,6%. În ianuarie 2011, celulele solare ale acestei companii erau așteptate să intre pe piață cu o eficiență de 39%. În 2011, compania californiană Solar Junction a obținut o eficiență de 43,5% a unei celule solare de 5,5 x 5,5 mm, care este cu 1,2% mai mare decât recordul anterior.

În 2012, Morgan Solar a creat sistemul Sun Simba din polimetilmetacrilat (plexiglas), germaniu și arsenidă de galiu, combinând un concentrator cu un panou pe care este instalată o fotocelulă. Eficiența sistemului cu o poziție fixă \u200b\u200ba panoului a fost de 26-30% (în funcție de anotimp și unghiul la care este situat soarele), de două ori eficiența practică a fotocelulelor pe bază de siliciu cristalin.

În 2013, Sharp a creat o fotocelulă cu trei straturi de 4x4 mm pe o bază de indiu-galiu-arsenidă cu o eficiență de 44,4%, iar un grup de specialiști de la Institutul Fraunhofer pentru Sisteme de Energie Solară, Soitec, CEA-Leti și Helmholtz Center Berlin au creat o fotocelulă. folosind lentile Fresnel cu o eficiență de 44,7%, depășind propria realizare de 43,6%. În 2014, Institutul Fraunhofer pentru sisteme de energie solară a creat celule solare, în care, datorită focalizării luminii pe o fotocelula foarte mică, eficiența a fost de 46%.

În 2014, oamenii de știință spanioli au dezvoltat o celulă fotovoltaică din siliciu capabilă să transforme radiația infraroșie de la soare în electricitate.

O direcție promițătoare este crearea de fotocelule bazate pe nanoantene care funcționează pe rectificarea directă a curenților induși într-o antenă mică (de ordinul 200-300 nm) de lumină (adică radiații electromagnetice cu o frecvență de aproximativ 500 THz). Nanoantenele nu necesită materii prime scumpe pentru producție și au o eficiență potențială de până la 85%.

Valorile maxime ale eficienței fotocelulelor și modulelor,
realizat în condiții de laborator

Un fel	Coeficient de conversie fotoelectric,%
Siliciu
Si (cristalin)	24,7
Si (policristalin)	20,3
Si (transmisie cu film subțire)	16,6
Si (submodul cu film subțire)	10,4
III-V
GaAs (cristalin)	25,1
GaAs (film subțire)	24,5
GaAs (policristalin)	18,2
InP (cristalin)	21,9
Pelicule subțiri de calcogenură
CIGS (fotocelula)	19,9
CIGS (submodul)	16,6
CdTe (fotocelula)	16,5
Siliciul amorf / nanocristalin
Si (amorf)	9,5
Si (nanocristalin)	10,1
Fotochimic
Pe bază de coloranți organici	10,4
Pe bază de coloranți organici (submodul)	7,9
Organic
Polimer organic	5,15
Multistrat
GaInP / GaAs / Ge	32,0
GaInP / GaAs	30,3
GaAs / CIS (Thin Film)	25,8
a-Si / mc-Si (submodul subțire)	11,7

Factori care afectează eficiența fotocelulelor

Caracteristicile structurale ale celulelor solare determină o scădere a performanței panourilor odată cu creșterea temperaturii.

Din performanța panoului fotovoltaic, se poate observa că este necesară selectarea corectă a rezistenței la sarcină pentru a obține cea mai mare eficiență. Pentru aceasta, panourile fotovoltaice nu sunt conectate direct la sarcină, ci folosesc un controler de sistem fotovoltaic pentru a asigura funcționarea optimă a panourilor.

Producție

Foarte des, fotocelulele individuale nu produc suficientă energie. Prin urmare, un anumit număr de celule fotovoltaice sunt combinate în așa-numitele module solare fotovoltaice și o armare este montată între plăcile de sticlă. Această versiune poate fi complet automatizată.

Acestea sunt convertoare fotovoltaice - dispozitive semiconductoare care convertesc energia solară în curent electric continuu. Pur și simplu, acestea sunt elementele de bază ale a ceea ce numim „panouri solare”.

Cu ajutorul unor astfel de baterii, sateliții artificiali din pământ operează pe orbite spațiale. Astfel de baterii sunt fabricate în Krasnodar - la uzina Saturn.

Întreprinderea din Krasnodar face parte din Agenția Spațială Federală, dar Saturn este deținut de compania Ochakovo, care a salvat literalmente această producție în anii '90.

Proprietarii Ochakovo au cumpărat o miză de control, care aproape că a ajuns la americani. Ochakovo a investit aici sume mari de bani, a cumpărat echipamente moderne, 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 stocare pentru nevoile industriei spațiale - civile și militare. Tot profitul pe care Saturn îl primește rămâne aici la Krasnodar și se îndreaptă spre dezvoltarea bazei de producție.

Deci, totul începe aici - pe site-ul așa-numitelor. epitaxie în fază gazoasă. În această încăpere există un reactor gazos în care un strat cristalin este cultivat 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.

După aceea, substratul mai are un drum lung de parcurs: contactele electrice vor fi aplicate pe ambele părți ale fotocelulei (iar pe partea de lucru contactul va avea un „model de pieptene”, ale cărui dimensiuni sunt calculate cu atenție pentru a asigura transmisia maximă a razelor solare), un strat antireflexie va apărea pe substrat etc. .d. - în total, mai mult de două duzini de operațiuni tehnologice în diferite instalații înainte ca fotocelula să devină baza unei baterii solare.

De exemplu, o configurație de fotolitografie. Aici, „modelele” contactelor electrice sunt formate pe fotocelule. Mașina efectuează automat toate operațiunile, conform unui anumit program. Iată lumina potrivită, care nu dăunează stratului fotosensibil al fotocelulei - ca și înainte, în era fotografiei analogice, am folosit lămpi „roșii”.

În vidul unității de depunere, contactele electrice și dielectricele sunt aplicate folosind un fascicul de electroni și se aplică acoperiri antireflexie (cresc creșterea curentului generat de fotocelulă cu 30%).

Ei bine, fotocelula este gata și puteți începe asamblarea bateriei solare. Anvelopele sunt lipite la suprafața fotocelulei, pentru a le conecta apoi una la cealaltă, și o sticlă de protecție este lipită de ele, fără de care în spațiu, în condiții de radiație, fotocelula nu poate rezista sarcinilor. Și, deși sticla are o grosime de doar 0,12 mm, o baterie cu astfel de fotocelule va funcționa mult timp pe orbită (mai bine de cincisprezece ani pe orbite înalte).

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

Celulele solare sunt conectate în serie pentru a obține tensiunea necesară în rețeaua generată de bateria solară. Așa arată o secțiune de celule fotovoltaice conectate în serie (convertoare fotovoltaice - așa este).

În cele din urmă, panoul solar este asamblat. Aici este afișată doar o parte a bateriei - un panou în format de aspect. Pot exista până la opt astfel de panouri pe un satelit, în funcție de câtă energie este necesară. Pe sateliții moderni de comunicații, ajunge la 10 kW. Astfel de panouri vor fi montate pe un satelit, în spațiu se vor desfășura ca niște aripi și cu ajutorul lor vom urmări 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, iar energia în exces este stocată în baterie.

Când nava spațială se află în umbra Pământului, nava spațială folosește electricitatea stocată în baterie. Bateria de nichel-hidrogen, având o capacitate energetică ridicată (60 W h / kg) și o resursă aproape inepuizabilă, este utilizată pe scară largă în navele spațiale. Producerea unor astfel de baterii este o altă parte a activității fabricii Saturn.

În această fotografie, asamblarea bateriei de stocare a nichelului-hidrogenului se realizează de către deținătorul Medaliei Ordinului de Merit către Patrie, gradul II Anatoly Dmitrievich Panin.

Site pentru asamblarea bateriilor nichel-hidrogen. Umplerea bateriei este pregătită pentru a fi plasată în carcasă. Umplutura constă din electrozi pozitivi și negativi separați prin separarea hârtiei - în aceștia are loc transformarea și acumularea de energie.

Instalare pentru sudarea fasciculului de electroni în vid, cu ajutorul căruia carcasa bateriei este realizată din metal subțire.

Secțiunea atelierului în care carcasele și părțile acumulatorilor sunt testate la presiune ridicată.

Datorită faptului că acumularea de energie în baterie este însoțită de formarea de hidrogen și presiunea din interiorul bateriei crește, testarea scurgerilor este o parte integrantă a procesului de fabricație a bateriei.

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

Bateriile robuste sunt încărcate 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 puternic mecanic, ușor și să aibă o conductivitate termică ridicată. Bateriile sunt instalate în celule și nu se ating.

Bateriile și bateriile asamblate din acestea sunt testate electric în propriile unități de producție. Nu va mai fi posibil să remediați sau să înlocuiți nimic în spațiu, astfel încât fiecare produs este testat temeinic aici.

Toată tehnologia spațială este supusă testelor de solicitare mecanică 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 sunt curate și luminoase, oamenii sunt 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.

Cu mai bine de șaizeci de ani în urmă, a început era puterii solare practice. În 1954, trei oameni de știință americani au prezentat lumii primele celule solare pe bază de siliciu. Perspectiva obținerii de energie electrică gratuită a fost realizată foarte repede, iar centrele științifice de top din întreaga lume au început să lucreze la crearea centralelor solare. Primul „consumator” de celule solare a fost industria spațială. Aici, ca nicăieri, aveau nevoie de surse regenerabile de energie, deoarece bateriile de pe sateliți și-au epuizat rapid resursa.

Și doar patru ani mai târziu, panourile solare din spațiu au preluat o schimbare nedeterminată de lucru. În martie 1958, Statele Unite au lansat un satelit alimentat cu energie solară. Mai puțin de două luni mai târziu, pe 15 mai 1958, Uniunea Sovietică a lansat Sputnik 3 pe o orbită eliptică în jurul Pământului, cu panouri solare la bord.

Prima centrală solară internă din spațiu

Panourile solare din siliciu au fost instalate pe fundul și în arcul Sputnik 3. Acest aranjament a făcut posibilă primirea de energie electrică suplimentară aproape continuu, indiferent de poziția satelitului pe orbită față de soare.

Al treilea satelit artificial. Bateria solară este clar vizibilă

Bateriile de la bord au rămas fără funcționare în decurs de 20 de zile, iar pe 3 iunie 1958, majoritatea instrumentelor instalate pe satelit au fost dezactivate. Cu toate acestea, dispozitivul pentru studierea radiațiilor solare, un emițător radio care a primit informații primite pe pământ și un radiofar au continuat să funcționeze. După epuizarea bateriilor de la bord, aceste dispozitive au trecut complet la alimentare de la panourile solare. Baliza radio a funcționat practic până când, în 1960, satelitul a ars în atmosfera Pământului.

Dezvoltarea spațiului fotovoltaic intern

Designerii s-au gândit la sursa de alimentare a navelor spațiale chiar și în etapa de proiectare a primelor vehicule de lansare. La urma urmei, bateriile nu pot fi înlocuite în spațiu, ceea ce înseamnă că durata de viață activă a unei nave spațiale este determinată numai de capacitatea bateriilor de la bord. Primul și al doilea sateliți de pământ artificial au fost echipați doar cu baterii de la bord, care s-au epuizat după câteva săptămâni de funcționare. Începând cu al treilea satelit, toate navele spațiale ulterioare au fost echipate cu panouri solare.

Principalul dezvoltator și producător de centrale solare spațiale a fost întreprinderea de cercetare și producție Kvant. Panourile solare „Kvant” sunt instalate pe aproape toate navele spațiale domestice. La început, acestea erau celule solare din siliciu. Puterea lor era limitată atât de mărime, cât și de greutate. Dar apoi oamenii de știință Kvant au dezvoltat și fabricat primele celule solare din lume pe baza unui semiconductor complet nou - arsenidă de galiu (GaAs).

În plus, au fost lansate în producție panouri cu heliu complet noi, care nu aveau analogi în lume. Panourile de heliu de înaltă performanță pe un substrat având o structură de plasă sau șir au devenit această noutate.

Panouri cu heliu cu suport de plasă și șir

Panourile de siliciu cu heliu cu sensibilitate bidirecțională au fost proiectate și fabricate special pentru instalarea pe nave spațiale cu orbite joase. De exemplu, pentru segmentul rus al Stației Spațiale Internaționale (nava spațială Zvezda), au fost fabricate panouri pe bază de siliciu cu sensibilitate bidirecțională, suprafața unui panou fiind de 72 m².

Bateria solară a navei spațiale "Zvezda"

Celulele solare flexibile au fost, de asemenea, dezvoltate pe baza de siliciu amorf și lansate în producție, cu caracteristici de greutate specifică excelente: cu o greutate de numai 400 g / m², aceste baterii generau electricitate la 220 W / kg.

Baterie flexibilă cu heliu bazată pe siliciu amorf

Pentru a îmbunătăți eficiența celulelor solare, s-au efectuat o cantitate mare de cercetări la sol și teste, care au relevat efectele negative ale spațiului mare asupra panourilor de heliu. Acest lucru a făcut posibilă trecerea la fabricarea bateriilor solare pentru nave spațiale de diferite tipuri cu o viață activă de până la 15 ani.

Nave spațiale ale misiunii „Venus”

În noiembrie 1965, cu un interval de patru zile, două nave spațiale, Venera-2 și Venera-3, au fost lansate către cel mai apropiat vecin al nostru, Venus. Acestea erau două sonde spațiale absolut identice, a căror sarcină principală era aterizarea pe Venus. Ambele nave spațiale au fost echipate cu celule solare de arsenidă de galiu, care s-au dovedit a fi bune în vehiculele anterioare din apropierea Pământului. În timpul zborului, toate echipamentele ambelor sonde au funcționat fără probleme. Au fost efectuate 26 de sesiuni de comunicare cu stația Venera-2 și 63 cu stația Venera-3. Astfel, a fost confirmată cea mai mare fiabilitate a bateriilor solare de acest tip.

Din cauza funcționării defectuoase a echipamentului de control, comunicarea cu Venera-2 a fost pierdută, dar stația Venera-3 și-a continuat drumul. La sfârșitul lunii decembrie 1965, la comanda de pe Pământ, a fost făcută o corecție a traiectoriei, iar la 1 martie 1966, stația a ajuns la Venus.

Datele obținute ca urmare a zborului acestor două stații au fost luate în considerare la pregătirea unei noi misiuni, iar în iunie 1967 a fost lansată o nouă stație automată Venera-4 către Venus. La fel ca cei doi predecesori, a fost echipat cu panouri solare de arsenidă de galiu cu o suprafață totală de 2,4 m². Aceste baterii au susținut funcționarea aproape tuturor echipamentelor.

Stația „Venera-4”. Mai jos este vehiculul de coborâre

La 18 octombrie 1967, după ce vehiculul de coborâre s-a separat și a intrat în atmosfera lui Venus, stația și-a continuat activitatea pe orbită, îndeplinind, printre altele, rolul unui repetor de semnal de la emițătorul radio al vehiculului de coborâre pe Pământ.

Nave spațiale ale misiunii "Luna"

Bateriile solare pe bază de arsenidă de galiu erau „Lunokhod-1” și „Lunokhod-2”. Panourile solare ale ambelor dispozitive au fost montate pe capace articulate și servite cu fidelitate pentru întreaga perioadă de funcționare. Mai mult, pe „Lunokhod-1”, al cărui program și resursă au fost proiectate pentru o lună de funcționare, bateriile au funcționat timp de trei luni, de trei ori mai mult decât perioada planificată.

Lunokhod-2 a lucrat pe suprafața lunară puțin peste patru luni, acoperind o distanță de 37 de kilometri. Încă ar putea funcționa dacă nu ar fi supraîncălzirea echipamentului. Dispozitivul a căzut într-un crater proaspăt, cu sol slăbit. Am derapat mult timp, dar în cele din urmă am reușit să ies în marșarier. Când a ieșit din groapă, o mică cantitate de sol a căzut pe capacul panoului solar. Pentru a menține un regim termic dat, panourile solare desfăcute au fost coborâte peste noapte pe capacul superior al compartimentului echipamentului. După părăsirea craterului, când capacul a fost închis, solul din acesta a căzut pe compartimentul echipamentului, devenind un fel de izolator termic. După-amiază, temperatura a crescut peste o sută de grade, echipamentul nu a putut să o suporte și a ieșit din funcțiune.

Panourile solare moderne realizate folosind cele mai avansate nanotehnologii, folosind noi materiale semiconductoare, au făcut posibilă obținerea unei eficiențe de până la 35% cu o reducere semnificativă a greutății. Și aceste noi panouri de heliu servesc cu fidelitate pe toate navele spațiale trimise atât pe orbitele din apropierea Pământului, cât și în spațiul adânc.

În prezent, NPP „Kvant” lucrează la trei domenii principale de dezvoltare a fotovoltaicii spațiale și a bazei elementelor sale, și anume:

Crearea de celule solare pe bază de siliciu monocristalin

Celulele solare din siliciu create la NPP Kvant corespund nivelului mondial, lucru confirmat de o serie de comenzi străine pentru fabricarea lor în interesul Indiei, Franței, Olandei, Cehiei, Israelului, Chinei. Aceste baterii au:

cea mai mare caracteristică de energie specifică inițială ~ 200W / m 2;
cea mai mică degradare în perioada de existență activă;
sensibilitate pe două fețe, care este utilizată pe navele spațiale cu zbor redus și permite creșterea puterii de ieșire a bateriilor solare cu 10-15% datorită transformării albedo-ului de pe Pământ (în special, baterii solare pentru nava spațială Zarya, Zvezda, sectorul rus al ISS, SB pentru nava spațială Monitor-E ").

Crearea de celule solare bazate pe convertoare fotovoltaice cu mai multe etape folosind materiale semiconductoare complexe pe substraturi străine.

Cu ajutorul celulelor solare bazate pe structuri complexe de heterojuncție în cascadă care utilizează compuși АIIIВV ternari și cuaternari depuși pe un substrat semiconductor străin, s-au obținut eficiența maximă în condiții de spațiu, cele mai bune rezultate în ceea ce privește densitatea de putere, viața activă și degradarea minimă în această perioadă. Cu ajutorul unor astfel de celule solare, domeniul de eficiență de 25-30% a fost stăpânit. Pentru o întreagă clasă de nave spațiale promițătoare, de exemplu, platforme geostaționare mari, precum și nave spațiale destinate operațiunilor de transport în spațiu utilizând sisteme electrice de propulsie, capacitatea de a îndeplini sarcini țintă moderne permite doar utilizarea unor astfel de baterii solare extrem de eficiente. Având în vedere acest lucru, precum și folosind mulți ani de experiență în proiectarea celulelor solare bazate pe GaAs, NPP „Kvant” dezvoltă lucrări în această direcție.

Crearea de celule solare flexibile cu film subțire pe bază de siliciu amorf cu caracteristică maximă specifică a masei energetice și costuri minime.

Aceasta este o direcție complet nouă în fotovoltaica spațială. Cel mai promițător tip de astfel de convertoare fotovoltaice este în prezent celulele fotovoltaice în 3 trepte bazate pe siliciu amorf (a-Si). Dezvoltate inițial pentru fotovoltaice terestre, celulele solare din siliciu amorf sunt în prezent luate în considerare pentru utilizare în spațiu datorită:

posibilitatea de a obține caracteristici de energie și masă ridicate ale celulelor solare, de 4-5 ori mai mari decât celulele solare realizate pe bază de siliciu monocristalin, în ciuda eficienței inițiale mai mici;
rezistență ridicată la radiații;
posibilitatea reducerii cu un ordin de mărime sau cu un cost mai specific al bateriei solare în comparație cu versiunea monocristalină.

Un avantaj semnificativ al celulelor solare flexibile cu film subțire este micul volum de pornire (transport), capacitatea de a crea celule solare de tip rulou ușor de implementat pe baza lor etc.

Tehnologia de la sol dezvoltată de societatea mixtă ruso-americană Sovlax LLC (cofondatori ai NPP Kvant, ECD Ltd., SUA) este considerată tehnologia de bază pentru fabricarea convertoarelor fotovoltaice pe bază de siliciu amorf pentru aplicații spațiale. Această tehnologie asigură formarea unei structuri fotovoltaice în cascadă cu trei joncțiuni pe bază de aliaje a-Si pe un substrat cu bandă subțire.

Proiecte moderne ale centralei nucleare „Kvant” în domeniul fotovoltaicii spațiale

ISS: segment rusesc de module Zarya și Zvezda cu convertoare solare cu sensibilitate bidirecțională
Platforme mari geostaționare „SiSat”, „Express-A”, „Express-AM”, „KazSat” și altele.
Nave spațiale pentru teledetecția Pământului și meteorologie „Monitor-E”, „Meteor-3” etc.

Principalele caracteristici ale panourilor solare NPP "Kvant"

Principalele caracteristici	Monocristalin	GalnP2-GalnAs-Ge în trei etape	Amorf
Puterea specifică a SB la AM0, 25 ° С în punctul optim al caracteristicii I - V, W / m 2	200	~350	90-100
Puterea specifică a SB la AM0, 60 ° C, în punctul optim al caracteristicii I - V, W / m 2	165-170	~320	80-90
Greutate specifică (după partea foto-generatoare, cu excepția cadrului), kg / m 2:
- suport de plasă - substrat fagure de miere	1,7-1,85 1,4-1,5	1,9 1,6	0,3
Degradarea curentului de funcționare pentru CAC,%
- 10 ani de GEO - 10 ani de LEO - 10 ani pe orbite eliptice și intermediare	20 20 30	15 15 25	Radiații degradare ~7%