Космічна сонячна батарея зарубіжного виробництва. Ековатт: Акумулятори та сонячні батареї у космосі. Космічні апарати місії «Місяць»
Це фотоелектричні перетворювачі - напівпровідникові пристрої, що перетворюють сонячну енергію на постійний електричний струм. Простіше кажучи, це основні елементи пристрою, який ми називаємо сонячними батареями. За допомогою таких батарей на космічних орбітах працюють штучні супутники Землі. Роблять такі батареї у нас у Краснодарі – на заводі «Сатурн». Керівництво заводу запросило автора цього блогу подивитися на виробничий процеста розповісти про нього у себе в щоденнику.
1. Підприємство у Краснодарі входить у структуру Федерального космічного агентства, але володіє «Сатурном» компанія «Очаково», яка буквально врятувала це виробництво 90-ті роки. Власники «Очаково» викупили контрольний пакет акцій, який мало не пішов до американців. "Очаково" вклала сюди великі кошти, закупила сучасне обладнання, зуміла утримати фахівців і тепер «Сатурн» - один із двох лідерів на російському ринку виробництва сонячних та акумуляторних батарей для потреб космічної галузі – цивільної та військової. Весь прибуток, який отримує «Сатурн», залишається тут, у Краснодарі, і на розвиток виробничої бази.
2. Отже, все починається тут - дільниці т.зв. газофазної епітаксії. У цьому приміщенні стоїть газовий реактор, в якому на підкладці з германію протягом трьох годин вирощується кристалічний шар, який буде основою майбутнього фотоелемента. Вартість такої установки – близько трьох мільйонів євро.
3. Після цього підкладці належить пройти ще довгий шлях: на обидві сторони фотоелементу завдадуть електричні контакти (причому, на робочій стороні контакт матиме «малюнок-гребінку», розміри якого ретельно розраховуються, щоб забезпечити максимальне проходження сонячного світла), на підкладці з'явиться просвітлювальне покриття і т.д. - всього понад два десятки технологічних операцій на різних установках, перш ніж фотоелемент стане основою сонячної батареї.
4. Ось, наприклад, встановлення фотолітографії. Тут на фотоелементах формуються малюнки електричних контактів. Машина здійснює всі операції автоматично, за заданою програмою. Тут і світло відповідне, яке не шкодить світлочутливому шару фотоелемента - як раніше, в епоху аналогової фотографії, ми користувалися червоними лампами.
5. У вакуумі установки напилення за допомогою електронного променя наносяться електричні контакти та діелектрики, а також наносять покриття, що просвітлюють (вони збільшують струм, що виробляється фотоелементом на 30%).
6. Ну ось, фотоелемент готовий і можна приступати до збирання сонячної батареї. До поверхні фотоелемента припаюють шини, щоб потім з'єднати їх один з одним, а на них наклеюється захисне скло, без якого в космосі, в умовах радіації, фотоелемент може не витримати навантажень. І, хоча товщина скла всього 0,12 мм, батарея з такими фотоелементами довго працюватиме на орбіті (на високих орбітах більше п'ятнадцяти років).
6a 
6b 
7. Електричне з'єднання фотоелементів між собою здійснюється срібними контактами (їх називають шинками) завтовшки всього 0,02 мм.
8. Щоб отримати потрібну напругу в мережі, що виробляється сонячною батареєю, фотоелементи послідовно з'єднуються. Ось так виглядає секція послідовно з'єднаних фотоелементів (фотоелектричних перетворювачів – так правильно).
9. Зрештою, сонячна батарея зібрана. Тут показано лише частину батареї – панель у форматі макету. Таких панелей на супутнику може бути до восьми, залежно від того, яка потрібна потужність. На сучасних супутниках зв'язку вона сягає 10 кВт. Такі панелі будуть змонтовані на супутнику, в космосі вони розкриються, як крила і за їх допомогою ми будемо дивитися супутникове телебачення, користуватися супутниковим інтернетом, навігаційними системами (супутники «Глонасс» використовують краснодарські сонячні батареї).
9a 
10. Коли космічний апарат освітлюється Сонцем, електроенергія, що виробляється сонячною батареєю, живить системи апарату, а надлишок енергії запасається в акумуляторній батареї. Коли космічний апарат перебуває у тіні від Землі, апаратом використовується електроенергія, що запасається в акумуляторній батареї. Нікель-воднева батарея, що має високу енергоємність (60 Вт ч/кг) і практично невичерпний ресурс, широко використовується на космічних апаратах. Виробництво таких батарей – ще одна частина роботи заводу «Сатурн».
На цьому знімку збирання нікель-водневої акумуляторної батареї проводить кавалер медалі ордену «За заслуги перед Батьківщиною» ІІ ступеня Анатолій Дмитрович Панін.
10a 
11. Ділянка збирання нікель-водневих акумуляторів. Начинка акумулятора готується до розміщення у корпусі. Начинка - це позитивні та негативні електроди, розділені сепараторним папером - у них і відбувається перетворення та накопичення енергії.
12. Установка для електронно-променевого зварювання у вакуумі за допомогою якого виготовляється корпус акумулятора тонкого металу.
13. Ділянка цеху, де корпуси та деталі акумуляторів випробовуються на вплив підвищеного тиску.
У зв'язку з тим, що накопичення енергії в акумуляторі супроводжується утворенням водню, тиск усередині акумулятора підвищується, випробування на герметичність - невід'ємна частина процесу виготовлення акумуляторів.
14. Корпус нікель-водневого акумулятора – дуже важлива деталь всього пристрою, що працює у космосі. Корпус розрахований на тиск 60 кг с/см 2 , при випробуваннях розрив стався при тиску 148 кг с / см 2 .
15. Перевірені на міцність акумулятори заправляють електролітом та воднем, після чого готові до роботи.
16. Корпус нікель-водневої акумуляторної батареї виготовляється зі спеціального сплаву металів і повинен бути механічно міцним, легким і мати високу теплопровідність. Акумулятори встановлюються в комірки та між собою не стикаються.
17. Акумулятори та зібрані з них батареї піддаються електричним випробуванням на установках власного виробництва. У космосі вже неможливо буде нічого поправити та замінити, тому тут ретельно випробовують кожен виріб.
17a 
17b 
18. Вся космічна техніка піддається випробуванням на механічні дії за допомогою вібраційних стендів, які імітують навантаження під час виведення космічного апарату на орбіту.
18a 
19. Загалом завод «Сатурн» справив сприятливе враження. Виробництво добре організоване, цехи чисті та світлі, народ працює кваліфікований, спілкуватися з такими спеціалістами - одне задоволення і дуже цікаве людині, яка хоч якоюсь мірою цікавиться нашим космосом. Виїжджав із «Сатурну» в відмінному настрої- завжди приємно подивитися в нас на місце, де не займаються порожнім балаканею і не перекладають папірці, а роблять справжню, серйозну справу, успішно конкурують з такими ж виробниками в інших країнах. Більше б у Росії такого.
Фотографії: © drugoi
P.S. Блог віце-президента з маркетингу компанії "Очаково"
Сонячні батареї найчастіше бувають досить великих розмірів, тому складно підібрати такі об'єкти нерухомості, на яких їх можна було б розмістити. Одна швейцарська компанія розробила новий підхідта знайшла свої шляхи вирішення цієї проблеми. Компанія запускає плаваючий острів, покритий сонячними батареями на озеро Невшатель. Кожен із трьох запланованих островів діаметром 25 метрів зможе розмістити на собі 100 фотоелектричних панелей, які працюватимуть протягом наступних 25 років. Острови також будуть використані в науково-дослідних цілях.
Останнім часом судноплавні компанії все частіше і частіше вдаються до використання інтенсивної. сонячної енергетикирозміщення на борту панелі сонячних батарей. Вперше сонячні батареї на кораблі були розміщені у Шанхаї у 2010 році. Корабель був оснащений величезною сонячною батареєю, виготовленою у вигляді вітрила. За таким же принципом зроблена яхта Turanor PlanetSolar, яка нещодавно завершила кругосвітнє плавання, використовуючи сонячну енергетику.
Сонячні батареї в небі
2013 став рекордним роком з використання сонячних батарей як джерела енергії для літаків. Компанія Solar Impulse розробила літак, який здійснив найтриваліший політ із використанням сонячної енергії. Літак пролетів через усю Америку цього літа.
Зрозуміло, літати на сонячній енергії, поки що можуть лише невеликі, безпілотні літаки. Сонячні батареї значно полегшують конструкцію дронів, і збільшують час їхнього можливого перебування в повітрі.
Одним із прикладів використання сонячних батарей у повітрі є підйомник, розміщений високо у горах, який здатний піднімати людей на вершину гори за допомогою сонячної енергії.
Сонячні батареї у космосі
Дослідники Університету Карнегі-Меллона створили прототип розвідувального роверу, який у майбутньому планується відправити на Місяць, на ракеті SpaceX. Пристрій, званий Polaris, повністю працює на сонячній енергії. Polaris буде використано для вивчення полярних місячних широт. Ровер оснащений спеціальним програмним забезпеченнямщо допоможе йому працювати в більш темних областях супутника.
Ви також чули про велику кількість космічного сміття на орбіті. Було б непогано відновити ці супутники та повернути їх на землю для ремонту та подальшого повернення на орбіту. Ця ідея лягла в основу нової концепції Solara, що працює на сонячних батареях і не потребує постійного ремонту. Супутник атмосфери розроблений компанією Titan Aerospace. Solara здатний працювати у найвищих шарах атмосфери протягом п'яти років поспіль.
Останньою та найамбіційнішою надією є проект японської фірми, яка планує побудувати масив сонячних батарей навколо екватора Місяця, а потім запустити промінь енергії назад на Землю. На створення «Кільця Місяця» піде близько 30 років. За припущеннями фахівців компанії місячне кільце генеруватиме до 13000 ТВт (терават) постійної енергії.
Ці напівпровідникові пристрої перетворюють сонячну енергію на постійний електричний струм. Простіше кажучи, це основні елементи пристрою, який ми називаємо сонячними батареями. За допомогою таких батарей на космічних орбітах працюють штучні супутники Землі. Роблять такі батареї у нас у Краснодарі – на заводі «Сатурн». Вирушаємо туди на екскурсію.
Підприємство в Краснодарі входить до структури Федерального космічного агентства, але володіє «Сатурном» компанія «Очаково», яка буквально врятувала це виробництво у 90-ті роки. Власники «Очаково» викупили контрольний пакет акцій, який мало не пішов до американців.
Сюди було вкладено великі кошти та закуплено сучасне обладнання, і тепер «Сатурн» – один із двох лідерів на російському ринку виробництва сонячних та акумуляторних батарей для потреб космічної галузі – цивільної та військової. Весь прибуток, який отримує «Сатурн», залишається тут, у Краснодарі, і на розвиток виробничої бази.
Отже, все починається тут – на ділянці т.зв. газофазної епітаксії. У цьому приміщенні стоїть газовий реактор, в якому на підкладці з германію протягом 3 годин вирощується кристалічний шар, який буде основою майбутнього фотоелемента. Вартість такої установки – близько 3 млн євро:
Після цього підкладці належить пройти ще довгий шлях: на обидві сторони фотоелементу завдадуть електричні контакти (причому, на робочій стороні контакт матиме «малюнок-гребінку», розміри якого ретельно розраховуються, щоб забезпечити максимальне проходження сонячного світла), на підкладці з'явиться покриття, що просвітлює і т.д. - всього понад два десятки технологічних операцій на різних установках, перш ніж фотоелемент стане основою сонячної батареї.
Ось наприклад, встановлення фотолітографії. Тут на фотоелементах формуються малюнки електричних контактів. Машина здійснює всі операції автоматично, за заданою програмою. Тут і світло відповідне, яке не шкодить світлочутливому шару фотоелемента - як раніше, в епоху аналогової фотографії, ми користувалися «червоними» лампами^
У вакуумі установки напилення за допомогою електронного променя наносяться електричні контакти та діелектрики, а також наносять покриття, що просвітлюють (вони збільшують струм, що виробляється фотоелементом на 30%):
Ну ось, фотоелемент готовий і можна приступати до збирання сонячної батареї. До поверхні фотоелемента припаюють шини, щоб потім з'єднати їх один з одним, а на них наклеюється захисне скло, без якого в космосі, в умовах радіації, фотоелемент може не витримати навантажень. І, хоча товщина скла всього 0.12 мм, батарея з такими фотоелементами довго працюватиме на орбіті (на високих орбітах більше 15 років).
Електричне з'єднання фотоелементів між собою здійснюється срібними контактами (їх називають шинками) завтовшки всього 0.02 мм.
Щоб отримати потрібну напругу в мережі, що виробляється сонячною батареєю, фотоелементи послідовно з'єднуються. Ось так виглядає секція послідовно з'єднаних фотоелементів (фотоелектричних перетворювачів – так правильно):
Зрештою, сонячна батарея зібрана. Тут показана лише частина батареї – панель у форматі макета. Таких панелей на супутнику може бути до восьми, залежно від того, яка потрібна потужність. На сучасних супутниках зв'язку вона сягає 10 кВт. Панелі будуть змонтовані на супутнику, в космосі вони розкриються, як крила і за їх допомогою ми будемо дивитися супутникове телебачення, користуватися супутниковим інтернетом, навігаційними системами (супутники «Глонасс» використовують червонодарські сонячні батареї):
Коли космічний апарат висвітлюється Сонцем, електроенергія, що виробляється сонячною батареєю, живить системи апарату, а надлишок енергії запасається в акумуляторній батареї. Коли космічний апарат перебуває у тіні від Землі, апаратом використовується електроенергія, що запасається в акумуляторній батареї. Нікель-воднева батарея, володіючи високою енергоємністю (60 Вт ч/кг) та практично невичерпним ресурсом, широко використовується на космічних апаратах. Виробництво таких батарей – ще одна частина роботи заводу «Сатурн».
На цьому знімку збирання нікель-водневої акумуляторної батареї проводить кавалер медалі ордену «За заслуги перед Батьківщиною» ІІ ступеня Анатолій Дмитрович Панін:
Ділянка збирання нікель-водневих акумуляторів. Начинка акумулятора готується до розміщення у корпусі. Начинка - це позитивні та негативні електроди, розділені сепараторним папером - у них і відбувається перетворення та накопичення енергії:
Установка для електронно-променевого зварюванняу вакуумі, за допомогою якої виготовляється корпус акумулятора з тонкого металу:
Ділянка цеху, де корпуси та деталі акумуляторів випробовуються на вплив підвищеного тиску. У зв'язку з тим, що накопичення енергії в акумуляторі супроводжується утворенням водню, і тиск усередині акумулятора підвищується, випробування на герметичність - невід'ємна частина процесу виготовлення акумуляторів:
Корпус нікель-водневого акумулятора дуже важлива деталь всього пристрою, що працює в космосі. Корпус розрахований на тиск 60 кг с/см 2 , при випробуваннях розрив стався при тиску 148 кг с / см 2:
Перевірені на міцність акумулятори заправляють електролітом і воднем, після чого готові до роботи:
Корпус нікель-водневої акумуляторної батареї виготовляється зі спеціального сплаву металів і повинен бути механічно міцним, легким і мати високу теплопровідність. Акумулятори встановлюються в осередки і між собою не стикаються:
Акумулятори та зібрані з них батареї піддаються електричним випробуванням на установках власного виробництва. У космосі вже неможливо буде нічого поправити та замінити, тому тут ретельно випробовують кожен виріб.
Вся космічна техніка піддається випробуванням на механічні дії за допомогою вібраційних стендів, які імітують навантаження під час виведення космічного апарату на орбіту.
Загалом завод «Сатурн» справив найсприятливіше враження. Виробництво добре організоване, цехи чисті та світлі, народ працює кваліфікований, спілкуватися з такими спеціалістами - одне задоволення і дуже цікаве людині, яка хоч якоюсь мірою цікавиться нашим космосом. Виїжджав із «Сатурна» у відмінному настрої – завжди приємно подивитися у нас на місце, де не займаються порожніми балаканями і не перекладають папірці, а роблять справжню, серйозну справу, успішно конкурують з такими ж виробниками в інших країнах. Більше б у Росії такого.
Холдинг "Російські космічні системи" (РКС, що входить до складу "Роскосмосу") завершив створення модернізованої системи електричного захисту для сонячних батарей вітчизняного виробництва. Її застосування дозволить суттєво продовжити термін роботи джерел живлення космічних апаратів та зробить російські сонячні батареї одними з найенергоефективніших у світі. Про розробку повідомляється в прес-релізі, що надійшов до редакції.
У конструкції нових діодів використовували запатентовані технічні рішення, які суттєво покращили їх експлуатаційні характеристики та підвищили їх надійність. Так, застосування спеціально розробленої багатошарової діелектричної ізоляції кристала дозволяє діоду витримувати зворотну напругу до 1,1 кіловольта. Завдяки цьому нове покоління захисних діодів може використовуватися з найефективнішими з існуючих фотоелектричних перетворювачів (ФЕП). Раніше коли діоди були нестійкими до високої зворотної напруги, доводилося вибирати не найефективніші зразки.
Для підвищення надійності та терміну служби діодів у РКС створили нові багатошарові комутуючі шини діодів на основі молібдену, завдяки яким діоди витримують понад 700 термоударів. Термоудар - типова ситуація для фотоелементів у космосі, коли при переході з освітленої частини орбіти в затінений Землею температура за кілька хвилин змінюється на понад 300 градусів Цельсія. Стандартні компоненти земних сонячних батарей не витримують такого, а ресурс космічних багато в чому визначається кількістю термоударів, яку вони можуть пережити.
Термін активного існування сонячної батареї космічного апарату, оснащеної новими діодами, збільшиться до 15,5 року. Ще 5 років діод може зберігатися Землі. Таким чином, загальний гарантійний термінексплуатація діодів нового покоління становить 20,5 року. Висока надійність пристрою підтверджена незалежними ресурсними випробуваннями, під час яких діоди витримали понад сім тисяч термоциклів. Відпрацьована групова технологія виробництва дозволяє РКС випускати понад 15 тисяч діодів нового покоління на рік. Їхні поставки планується розпочати вже у 2017 році.
Нові фотоелементи витримають до 700 перепадів температури на 300 градусів Цельсія та зможуть пропрацювати у космосеї понад 15 років
Сонячні батареї для космосу складаються з фотоелектричних перетворювачів (ФЕП) розміром 25х50 мм. Площа сонячних батарей може досягати 100 квадратних метрів(Для орбітальних станцій), тому ФЕП в одній системі може бути дуже багато. ФЕП розташовані ланцюжками. Кожен окремий ланцюжок називають "стрінг". У космосі окремі ФЕП періодично уражаються космічними променями, і якби на них не було жодного захисту, то з ладу могла б вийти вся сонячна батарея, в якій перебуває уражений перетворювач.
Основу системи захисту сонячної батареї складають діоди - невеликі пристрої, які встановлюються у комплекті з ФЕП. Коли сонячна батарея частково або повністю потрапляє в тінь, ФЕП замість подачі струму на акумулятори починає його споживання - через ФЕП йде зворотна напруга. Щоб цього не відбувалося, на кожному ФЕП встановлюється шунтуючий діод, а на кожен "стрінг" - діод, що блокує. Чим ефективніше ФЕП, що більше струму він видає, то більше вписується зворотна напруга при попаданні сонячної батареї в тінь Землі.
Якщо шунтуючий діод "не тягне" зворотну напругу вище певної величини, ФЕП доведеться робити менш ефективними, щоб як прямий струм заряджання батарей, так і зворотний струм небажаної розрядки були мінімальними. Коли з часом під впливом дестабілізуючих факторів космічного простору окремі ФЕП або відразу "стрінг" виходять з ладу, такі елементи просто відсікаються, не торкаючись робітників ФЕП та інших "стрінгів". Це дозволяє решті, ще справним, перетворювачам продовжувати роботу. Таким чином, саме від якості діодів залежить енергоефективність та термін активного існування сонячної батареї.
У СРСР сонячних батареях використовувалися лише блокуючі діоди, при несправності одного ФЭП вимикали відразу цілу ланцюжок перетворювачів. Через це деградація сонячних батарей на радянських супутниках була швидкою і вони працювали не дуже довго. Це змушувало частіше робити та запускати апарати їм на заміну, що було дуже недешево. З 1990-х під час створення вітчизняних космічних апаратів стали застосовувати ФЕП іноземного виробництва, які закуповувалися у зборі з діодами. Переламати ситуацію вдалося лише у ХХІ столітті.