Панелей солнечных батарей космических аппаратов. Как будут работать космические солнечные электростанции? Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ). Техническим результатом изобретения является: повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ, упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ, повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит: панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ), шунтирующий диод; коммутирующие шины, соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ, при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

Рисунки к патенту РФ 2525633

Область техники

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ).

Уровень техники

К СБ предъявляются следующие требования: максимальная энергетическая эффективность при минимальной массе, сохранение электрических и механических характеристик при хранении, транспортировке на Земле и выводе на расчетную орбиту, длительный срок активного существования (САС) на орбите при минимальной деградации, которая выражается в потере мощности. У современных СБ САС достигает 15 лет и выдвигаются требования по его увеличению до 20 лет.

Основными причинами деградации на орбите являются нарушения структуры активных элементов, а именно фотопреобразователей (ФП) и диодов под действием радиации, а также нарушения, возникающие в результате воздействия изменения температуры, термоциклов. На разных орбитах различен диапазон изменения температуры и частота термоциклов. Для условий эксплуатации на геостационарной орбите верхнее значение температуры +100°C, нижнее - 170°C, количество термоциклов - 2000. На низких орбитах диапазон изменения температуры меньше, верхнее значение +100°C, нижнее - 100°C, но количество термоциклов в течение срока активного существования на орбите составляет несколько десятков тысяч.

Из уровня техники известно (см. Н. S. Rauschenbach. The principles and technology of photovoltaic energy conversion. New York, 1980), что СБ состоит из отдельных генераторов, включающих цепочки солнечных элементов (СЭ), внутри генераторов встречно-параллельно с солнечными элементами устанавливают шунтирующие диоды. Помимо шунтирующих диодов для обеспечения надежной работы СБ применяется диодная защита, которая обеспечивается блокирующими диодами.

В последние годы на смену кремниевым пришли более эффективные солнечные элементы, включающие несколько каскадов гетеропереходов, на основе соединений АзВ5, которые выращены на германиевой подложке (см. P. R. Sharps, М. A. Stan, D. J. Aiken, В. Clevenger, J. S. Hill and N. S. Fatemi. High efficiebcy, multi-junction cells with monolithic bypass diodes, NASA/CP.2005-213431. Page 108-115). Каждый такой СЭ защищается диодом, расположенным с СЭ в одной плоскости, причем диод имеет такую же толщину, как и СЭ. Обычно в СЭ выполнены по углам срезы, в которых размещается диод треугольной формы (см. патенты США на изобретения US 6353176, US 6034322 и заявку США на изобретение US 2008/0000523).

Из уровня техники известна солнечная батарея космических аппаратов, расположенная на углепластиковой сотовой панели. Несущая часть сотовой панели состоит из двух слоев углепластика, между которыми расположен сотовый наполнитель из алюминиевой фольги. На углепластиковую поверхность, предназначенную для монтажа СЭ, наклеивается электроизоляционная пленка. Электрогенерирующая часть солнечной батареи (модули) состоит из солнечных элементов, последовательно или последовательно-параллельно соединенных друг с другом с помощью коммутирующих элементов с термомеханическими компенсаторами. На лицевую поверхность каждого СЭ наклеивается стеклянная пластина (см. GLOBASTAR. Solar Generator Desigh And Layout For Low Earth Orbit Application in Consideration Of Commercial Aspects And Quanlity Production. D-81663 Munich Germany).

К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ. Высокая вероятность повреждения межэлементной коммутации, выступающей над лицевой поверхностью СБ, в процессе ее изготовления и проведения регламентных работ, а также технологическая сложность изготовления межэлементной коммутации, обусловленная необходимостью размещения термомеханических компенсаторов в узких межэлементных зазорах, приводит к малой стойкости СБ к воздействию термических и механических нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является солнечная батарея космических аппаратов, содержащая панели с приклеенными на них модулями, состоящая из последовательно или последовательно-параллельно соединенных с помощью коммутирующих шин СЭ, где коммутирующие шины снабжены термомеханическими компенсаторами, а к лицевой поверхности каждого СЭ приклеена защитная стеклянная пластина, которая снабжена дополнительно приклеенными к плоской или криволинейной поверхности каркаса имеющими заданную форму и размер эластичными элементами, где внутренний объем эластичных элементов заполнен герметиком с образованием выпуклого мениска, а СЭ прижаты к эластичным элементам и зафиксированы неподвижно, а коммутирующие шины с термомеханическими компенсаторами и шунтирующие диоды приварены или припаяны к тыльным контактам СЭ в зонах, свободных от герметика, причем термомеханические компенсаторы расположены между тыльной стороной СЭ и несущей поверхностью каркаса в зонах, свободных от герметика (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2250536).

К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ, плохая стойкость СБ к воздействию механических и термомеханических нагрузок. Молибденовая шина, толщиной 50 мкм и имеющая многослойное специальное покрытие, является очень жесткой. При присоединении коммутирующих шин сваркой ухудшаются электрические характеристики шунтирующих диодов, а в некоторых случаях из-за жесткой шины точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование. При повышенных температурах происходит деградация СЭ после пайки и сварки, что приводит к отслоению контактов от СЭ и, как следствие, выходу из рабочего состояния ячеек СБ.

Из уровня техники известен способ изготовления СБ космических аппаратов с шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, формирование шунтирующих диодов на лицевой стороне СЭ, соединение шунтирующих диодов и СЭ СБ космических аппаратов, соединение с помощью коммутирующих шин СЭ (см. патент США на изобретение US6635507).

К недостаткам известного способа относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации на рабочей и нерабочей сторонах. Кроме того, при присоединении коммутирующих шин сваркой возможно замыкание коммутирующей шиной слоев структуры, а точка сварки вырывается вместе со структурой подложки, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является способ изготовления СБ космических аппаратов с интегрированным шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с углублениями для размещения дискретных шунтирующих диодов, изготовление дискретных шунтирующих диодов на основе полупроводниковой подложки, монтажа дискретных шунтирующих диодов в углубления, контактирование солнечных элементов с шунтирующими диодами с помощью коммутационных шин (см. патент США на изобретение US 5616185).

К недостаткам известного способа изготовления относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации при формировании металлизации нерабочей стороны. Кроме того, при резке на кристаллы на кремниевых монокристаллических подложках образуются трещины, а при присоединении коммутационных шин сваркой точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование (термоудары).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является:

Повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ,

Упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ,

Повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что солнечная батарея малоразмерных космических аппаратов содержит:

Шунтирующий диод;

при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

В предпочтительном варианте толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм, суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм, толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.

Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов включает:

Соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих

при этом коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

В предпочтительном варианте слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°С с предварительной ионной бомбардировкой, а молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.

На фиг.1 представлен СЭ с установленными сбоку с помощью коммутирующих шин шунтирующим диодом.

На фиг.2 схематично представлена послойная структура коммутирующей

На фиг.3 представлен алгоритм способа изготовления СБ КА.

На фиг.4 представлены рассчитанные по экспериментально измеренным деформациям величины внутренних механических напряжений в слоях металлов коммутирующих шин, сформированных при различной температуре молибденовой фольги.

На фиг.4 на графиках в скобках указан оптимальный рабочий диапазон температур молибденовой фольги при напылении. На фиг.1 обозначено следующее:

1 - шунтирующий диод;

2 - коммутирующая шина, соединяющая лицевую сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);

3 - коммутирующая шина, соединяющая обратную сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);

4 - солнечный элемент (СЭ);

На фиг.2 обозначено следующее:

5 - подготовленная молибденовая фольга;

6 - слой ванадия или титана;

7 - слой никеля;

8 - слой серебра.

Осуществление и пример реализации изобретения

Заявленный способ был использован при реализации групповой технологии изготовления солнечных батарей космических аппаратов и состоит из следующей последовательности технологических операций (см. фиг.3): производят изготовление солнечных элементов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление коммутирующих шин, включающее в себя подготовку молибденовой фольги и металлизацию подготовленной молибденовой фольги методом вакуумного магнетронного напыления с двух сторон слоями ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой, затем производят отжиг молибденовой фольги с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра в вакууме при температуре 300-350°C, осуществляют приварку коммутирующих шин к шунтирующим диодам, испытывают шунтирующие диоды на термоциклирование и термоудар, соединяют солнечные элементы с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин и осуществляют выходной контроль солнечной батареи космических аппаратов.

Толщину молибденовой фольги выбирали исходя из наибольшего усилия отрыва приваренной коммутирующей шины к лицевой и обратной сторонам шунтирующего диода после проведения испытаний на термоудар.

Усилие отрыва приваренной коммутирующей шины от шунтирующего диода определяли следующим образом: подготавливали молибденовую фольгу в несколько этапов, после чего производилось утонение молибденовой фольги до следующих толщин: 6±0,1 мкм, 7,5±0,1 мкм, 10±0,1 мкм, 13±0,1 мкм. Затем на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления нанесли с двух сторон слои ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.

После чего молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигали в вакууме при температуре 300-350°C и производили вырубку из молибденовой фольги коммутирующих шин. После чего производили контрольную сварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.1).

Затем производили испытания на термоудар приваренных коммутирующих шин к шунтирующим диодам, заключающийся в проведении 450 циклов термоударов от температуры -180°C (пары жидкого азота) до 120°C на специализированном оборудовании. После чего производилось измерение электрических параметров шунтирующих диодов, которое показало незначительное повышение прямого напряжения на фоне неизменных значений токов утечки и обратного напряжения. Затем производили контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.2).

В результате испытаний выявлено увеличение усилия отрыва у всех вариантов толщин коммутирующих шин от шунтирующих диодов при незначительном изменении электрических характеристик шунтирующих диодов. Исходя из таблицы 2 получено, что оптимальной толщиной молибденовой фольги является 10±0,1 мкм, так как обеспечивается максимальное усилие отрыва шины от шунтирующего диода.

Температуру молибденовой фольги при технологической операции напыления металлов выбирали исходя из минимальных напряжений в получаемой структуре (см. фиг.4). Внутренние напряжения определяли следующим образом: формировали одноконсольные микробалки методом магнетронного напыления металлических пленок V-Ni-Ag на подготовленной молибденовой фольге с фотолитографией и плазмохимическим травлением металлов. Полученные образцы одноконсольных микробалок исследовали с помощью оптического микроскопа Axio Imager фирмы Carl Zeiss при увеличении в 6000х. Проводили измерения размеров балочной конструкции и направление деформации. Форма деформации определялась по отклонению микробалок в различных точках ее длины от поверхности. После чего с помощью математической обработки по формуле Стоуни вычисляли величины напряжения балок. Кривизну балки находили, измеряя отклонение хвостовика одноконсолыюй микробалки. Указанные режимы выбирали исходя из соображений воспроизводимости технологического процесса, которая обеспечивается, если при присоединении коммутирующих шин сваркой точка сварки не вырывается (см. табл.3).

По предложенным конструкции и способу изготовления изготавливали СБ для малоразмерных КА, включающие в себя бескорпусные шунтирующие диоды треугольной формы с обратным напряжением 100 В и прямым током 2 А и каскадные фотопреобразователи на основе соединений А 3 В 5 .

До использования заявленного технического решения использовались серебряные коммутационные шины, которые приваривались к шунтирующим диодам и СЭ. Испытание диодов показало низкую стойкость к термоударам (происходило разрушение структуры после 10-15 термоударов от -180°C до +100°C), причем процент выхода годных диодов по электрическим характеристикам на этапе термоциклирования составлял не более 70% из годных диодов после сборки, а в оставшихся 30% происходило разрушение структуры в зоне приварки (межслойное разрушение по основным материалам при воздействии повышенных и пониженных температур) при контроле прочности сварного соединения. Усилие отрыва металлизации от кристалла составляло 50-100 г/мм 2 , а после использования настоящего технического решения составило более 150 г/мм 2 , в результате чего процент выхода годных диодов на этапе термоциклирования повысился до 85%.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит:

Панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ),

Шунтирующий диод;

Коммутирующие шины, приваренные к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ,

отличающаяся тем, что

коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

2. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм.

3. Солнечная батарея по п.2, отличающаяся тем, что суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм.

4. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.

5. Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов, включающий:

Изготовление солнечных элементов (СЭ) на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с вырезом в углу под шунтирующие диоды,

Изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки,

Изготовление коммутирующих шин,

Приварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов,

Установку шунтирующих диодов в вырезе в углу СЭ,

Соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин,

отличающийся тем, что

коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.

В 2016 году (ключевое подразделение ИППТ - ) спроектирована ультралегкая композитная сетчатая панель солнечных батарей для космических аппаратов. Облегченная опорная конструкция, разработанная в рамках концепции ИППТ СПбПУ, предназначена для замены трехслойных панелей с сотовым заполнителем. Изделие произведено на предприятии партнера ИППТ - компании Baltico (Германия).

Разработка неоднократно демонстрировалась на промышленных выставках, в том числе, на форуме , где, в частности, привлекла внимание первого заместителя министра промышленности и торговли России Г.С. Никитина и других представителей власти, а также руководителей ряда ведущих промышленных предприятий.

Иннопром-2016. Научный руководитель ИППТ СПбПУ, руководитель Инжинирингового центра СПбПУ А.И. Боровков (справа) демонстрирует композитную панель для космических солнечных батарей, разработанную ИППТ СПбПУ и Baltico GmbH, первому заместителю министра промышленности и торговли России Г.С. Никитину (в центре) и директору Департамента станкостроения и инвестиционного машиностроения Минпромторга России М.И. Иванову

Композитная панель также была продемонстрирована министру промышленности и торговли Д.В. Мантурову, посетившему Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого 7 ноября 2016 года.

А.И. Боровков рассказывает главе Минпромторга Д.В. Мантурову о разработанной в ИППТ
ультралегкой композитной панели для солнечных батарей

Материал: композит - карбоновое волокно / эпоксидная матрица

Технология: Цифровое аддитивное производство. Роботизированная укладка непрерывных волокон на каркас.

Цикл производства: 15 мин

Стоимость при серийном производстве: от 6000 руб./ кв. м.

Характеристики	Требования	Достигнутые
	1400х1400х22 мм	1400х1400х22 мм
Вес не более
Схема закрепления	По периметру
Максимальное перемещение под нагрузкой

Преимущества технологии:

• максимально используются характеристики однонаправленного композиционного материала вдоль армирующих волокон;
• прямой процесс, применение первичных материалов (ровинг и связующее);
• совместимость с металлическими конструкциями;
• низкая материалоемкость и стоимость конструкций;
• безотходное производство;
• возможность изготовления сложных геометрических форм, модульность;
• снижение веса несущих конструкций в 20-30 раз;
• полностью автоматизированная технология;
• точность изготовления 0,1-1,0 мм;
• применение отечественных материалов.

• Фантастические электростанции

Не секрет, что в русле постоянной борьбы за более продуктивную, экологическую и дешевую энергию, человечество, все чаще, прибегает к помощи альтернативных источников получения драгоценной энергии. Во многих странах, достаточно обширное количество жителей определили для себя необходимостью использование солнечных модулей для снабжения жилища электроэнергией.

Часть из них пришли к такому выводу благодаря трудным расчетам по экономии материальных средств, а некоторых сделать такой ответственный шаг вынудили обстоятельства, одно из которых труднодоступное географическое положение, обуславливающее отсутствие надежных коммуникаций. Но не только в таких труднодоступных местах нужны солнечные батареи. Существуют рубежи намного отдаленнее, нежели край земли - это космос. Солнечная батарея в космосе является единственным источником выработки необходимого количества электроэнергии.

Основы космической солнечной энергетики

Идея применять солнечные батареи в космосе впервые появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников земли. В тот период, в СССР, профессор и специалист в области физики, особенно в сфере электричества - Николай Степанович Лидоренко, обосновал необходимость применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах. Такой энергией могла быть только энергия солнца, которая добывалась с помощью солнечных модулей.

В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счет солнечной энергии.

Большим помощником в этом деле является сам космос, так как солнечные лучи, так необходимые для процесса фотосинтеза в солнечных модулях, в избытке имеются в космическом пространстве, и нет никаких помех для их потребления.

Минусом использования солнечных батарей на околоземной орбите, может служить влияние радиации на материал изготовления фотопласти н. Благодаря такому негативному влияния происходит изменение структуры солнечных элементов, что влечет снижение выработки электроэнергии.

Фантастические электростанции

В научных лабораториях всей земли, в настоящее время, происходит схожая задача - поиск бесплатной электроэнергии от солнца. Только не в масштабах отдельного дома или города, а в размерах всей планеты. Суть этой работы состоит в том, чтобы создать огромные по своим размерам, а соответственно и выработкам энергии, солнечные модули.

Площадь таких модулей огромна и размещение их на поверхности земли повлечет много трудностей, таких как:

• значительные и свободные площади для установки приемников света,
• влияние метеоусловий на и КПД модулей,
• затраты на обслуживание и чистку солнечных панелей.

Все эти отрицательные аспекты исключают установку подобного монументального сооружения на земле. Но выход есть. Заключается он в установке гигантских солнечных модулей на околоземной орбите. При воплощении в жизнь такой идеи, человечество получает солнечный источник энергии, который всегда находится под воздействием солнечных лучей, никогда не потребует чистки от снега, и самое главное не будет занимать полезное пространство на земле.

Конечно же, тот, кто первым установит солнечные батареи для космоса, станет в будущем диктовать свои условия в мировой энергетике. Не секрет, что, запасы полезных ископаемых на нашей земле не просто не бесконечен, а наоборот с каждым днем напоминает о том, что скоро человечеству придется переходить на альтернативные источники в принудительном порядке. Именно поэтому, разработки космических солнечных модулей на земной орбите стоит в списке первоочередных задач энергетиков и специалистов, проектирующих электростанции будущего.

Проблемы размещения солнечных модулей на орбите земли

Трудности рождения таких электростанций, не только в установке, доставке и базировании солнечных модулей на околоземной орбите. Наибольшие проблемы вызывает передача, выработанной солнечными модулями, электрического тока потребителю, то есть на землю. Провода, конечно же, не протянешь, да и перевозить в контейнере не получится. Существуют почти нереальные технологии передачи энергии на расстояния без осязаемых материалов. Но такие технологии вызывают много противоречивых гипотез в научном мире.

Во первых , столь сильное излучение будет негативно влиять на обширную область приема сигнала, то есть будет происходить облучение значительного куска нашей планеты. А если таких космических станций со временем станет очень много? Это может привести к облучению всей поверхности планеты, результатом чего будут непредсказуемые последствия.

Во вторых негативным моментом может быть, частичное разрушение верхних слоев атмосферы и озонового слоя, в местах передачи энергии от электростанции к приемнику. Последствия такого рода, может предположить даже ребенок.

В довесок ко всему, существуют множество нюансов различного характера, увеличивающих отрицательные моменты, и отдаляющих момент запуска подобных устройств. Таких внештатных ситуаций может быть множество, от трудности ремонта панелей, в случае непредвиденной поломки или столкновения с космическим телом, до банальной проблемы - как утилизировать столь необычное сооружение, после окончания срока его эксплуатации.

Несмотря на все негативные моменты, деваться человечеству, как говориться, некуда. Солнечная энергия, на сегодняшний день, единственный источник энергии, который может в теории покрыть растущие потребности людей в электричестве. Ни один из существующих ныне источников энергии на земле, не может сравниться своими будущими перспективами с этим уникальным явлением.

Приблизительные сроки внедрения

Солнечная космическая электростанция давно перестала быть теоретическим вопросом. На 2040 год уже намечен первый пуск электростанции на земную орбиту. Конечно, это только пробная модель, и она далека от тех глобальных сооружений, которые планируются построить в дальнейшем. Суть такого запуска - посмотреть на практике - как будет работать такая электростанция в рабочих условиях. Страна, которая взяла на себя столь нелегкую миссию - Япония. Предполагаемая площадь батарей, теоретически, должна составить около четырех квадратных километров.

Если эксперименты покажут, что такое явление как солнечная электростанция может существовать, то основное направление солнечной энергетики получит четкий путь по освоению подобных изобретений. Если экономический аспект, не сможет остановить все дело на начальном этапе. Дело в том, что по теоретическим подсчетам, для того, чтобы вывести на орбиту полноценную солнечную электростанцию, необходимо более двухсот запусков грузовых ракетоносителей. К сведению, стоимость одного запуска тяжелого грузовика, исходя из существующей статистики, составляет примерно 0,5 - 1 миллиард долларов. Арифметика проста, и результаты ее не утешительны.

Получающаяся сумма огромна, и она пойдет только на доставку разобранных элементов на орбиту, а необходимо еще собрать весь конструктор.

Подводя итог всему сказанному, можно отметить, что создание космической солнечной электростанции дело времени, но построить такую конструкцию под силу исключительно сверхдержавам, которые смогут осилить весь груз экономического бремени от реализации процесса.

Эти полупроводниковые устройства преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток. Проще говоря, это основные элементы устройства, которое мы называем «солнечными батареями». С помощью таких батарей на космических орбитах работают искусственные спутники Земли. Делают такие батареи у нас в Краснодаре - на заводе «Сатурн». Отправляемся туда на экскурсию.

Предприятие в Краснодаре входит в структуру Федерального космического агентства, но владеет «Сатурном» компания «Очаково», которая в буквальном смысле спасла это производство в 90-е годы. Владельцы «Очаково» выкупили контрольный пакет акций, который чуть было не ушел к американцам.

Сюда были вложены большие средства и закуплено современное оборудование, и теперь «Сатурн» - один из двух лидеров на российском рынке производства солнечных и аккумуляторных батарей для нужд космической отрасли - гражданской и военной. Вся прибыль, которую получает «Сатурн», остается здесь, в Краснодаре, и идет на развитие производственной базы.

Итак, всё начинается здесь - на участке т.н. газофазной эпитаксии. В этом помещении стоит газовый реактор, в котором на подложке из германия в течение 3 часов выращивается кристаллический слой, который будет служить основой для будущего фотоэлемента. Стоимость такой установки - около 3 млн евро:

После этого подложке предстоит пройти еще долгий путь: на обе стороны фотоэлемента нанесут электрические контакты (причем, на рабочей стороне контакт будет иметь «рисунок-гребенку», размеры которой тщательно рассчитываются, чтобы обеспечить максимальное прохождение солнечного света), на подложке появится просветляющее покрытие и т.д. - всего более двух десятков технологических операций на различных установках, прежде чем фотоэлемент станет основой солнечной батареи.

Вот, например, установка фотолитографии . Здесь на фотоэлементах формируются «рисунки» электрических контактов. Машина производит все операции автоматически, по заданной программе. Здесь и свет соответствующий, который не вредит светочувствительному слою фотоэлемента - как раньше, в эпоху аналоговой фотографии, мы пользовались «красными» лампами^

В вакууме установки напыления с помощью электронного луча наносятся электрические контакты и диэлектрики, а также наносятся просветляющие покрытия (они увеличивают ток, вырабатываемый фотоэлементом на 30%):

Ну вот, фотоэлемент готов и можно приступать к сборке солнечной батареи. К поверхности фотоэлемента припаиваются шины, чтобы потом соединить их друг с другом, а на них наклеивается защитное стекло, без которого в космосе, в условиях радиации, фотоэлемент может не выдержать нагрузок. И, хотя толщина стекла всего 0.12 мм, батарея с такими фотоэлементами будет долго работать на орбите (на высоких орбитах больше 15 лет).

Электрическое соединение фотоэлементов между собой осуществляется серебряными контактами (их называют шинками) толщиной всего 0.02 мм.

Чтобы получить нужное напряжение в сети, вырабатываемое солнечной батареей, фотоэлементы соединяются последовательно. Вот так выглядит секция последовательно соединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей - так правильно):

Наконец, солнечная батарея собрана. Здесь показана только часть батареи - панель в формате макета. Таких панелей на спутнике может быть до восьми, в зависимости от того, какая нужна мощность. На современных спутниках связи она достигает 10 кВт. Панели будут смонтированы на спутнике, в космосе они раскроются, как крылья и с их помощью мы будем смотреть спутниковое телевидение, пользоваться спутниковым интернетом, навигационными системами (спутники «Глонасс» используют краснодарские солнечные батареи):

Когда космический аппарат освещается Солнцем, вырабатываемая солнечной батареей электроэнергия питает системы аппарата, а избыток энергии запасается в аккумуляторной батарее. Когда космический аппарат находится в тени от Земли, аппаратом используется электроэнергия, запасенная в аккумуляторной батарее. Никель-водородная батарея , обладая высокой энергоемкостью (60 Вт ч/кг) и практически неисчерпаемым ресурсом, широко используется на космических аппаратах. Производство таких батарей - еще одна часть работы завода «Сатурн».

На этом снимке сборку никель-водородной аккумуляторной батареи производит кавалер медали ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени Анатолий Дмитриевич Панин:

Участок сборки никель-водородных аккумуляторов. Начинка аккумулятора подготавливается к размещению в корпусе. Начинка - это положительные и отрицательные электроды, разделённые сепараторной бумагой - в них и происходит преобразование и накопление энергии:

Установка для электронно-лучевой сварки в вакууме с помощью которой изготавливается корпус аккумулятора из тонкого металла:

Участок цеха, где корпуса и детали аккумуляторов испытываются на воздействие повышенного давления. В связи с тем, что накопление энергии в аккумуляторе сопровождается образованием водорода, и давление внутри аккумулятора повышается, испытания на герметичность - неотъемлемая часть процесса изготовления аккумуляторов:

Корпус никель-водородного аккумулятора - очень важная деталь всего устройства, работающего в космосе. Корпус рассчитан на давление 60 кг·с/см 2 , при испытаниях разрыв произошел при давлении 148 кг·с/см 2:

Проверенные на прочность аккумуляторы заправляют электролитом и водородом, после чего они готовы к работе:

Корпус никель-водородной аккумуляторной батареи изготавливается из специального сплава металлов и должен быть механически прочным, легким и обладать высокой теплопроводностью. Аккумуляторы устанавливаются в ячейки и между собой не соприкасаются:

Аккумуляторы и собранные из них батареи подвергаются электрическим испытаниям на установках собственного производства. В космосе уже невозможно будет ничего поправить и заменить, поэтому здесь тщательно испытывают каждое изделие.

Вся космическая техника подвергается испытаниям на механические воздействия с помощью вибрационных стендов, которые имитируют нагрузки при выведении космического аппарата на орбиту.

В целом завод «Сатурн» произвел самое благоприятное впечатление. Производство хорошо организовано, цеха чистые и светлые, народ работает квалифицированный, общаться с такими специалистами - одно удовольствие и очень интересно человеку, хоть в какой-то степени интересующемуся нашим космосом. Уезжал с «Сатурна» в отличном настроении - всегда приятно посмотреть у нас на место, где не занимаются пустой болтовней и не перекладывают бумажки, а делают настоящее, серьезное дело, успешно конкурируют с такими же производителями в других странах. Побольше бы в России такого.

Более шестидесяти лет назад началась эра практической солнечной электроэнергетики. В 1954 году три американских ученых представили миру первые солнечные батареи, полученные на базе кремния. Перспективу получения бесплатной электроэнергии осознали очень быстро, и ведущие научные центры всего мира начали работать над созданием солнечных электроэнергетических установок. Первым «потребителем» солнечных батарей стала космическая отрасль. Именно здесь, как нигде более, нуждались в возобновляемых источниках энергии, так как бортовые батареи на спутниках довольно быстро исчерпывали свой ресурс.

И всего через четыре года солнечные батареи в космосе заступили на бессрочную трудовую вахту. В марте 1958 года США запустили спутник с солнечными батареями на борту. Менее чем через два месяца, 15 мая 1958 года, в Советском Союзе был выведен на эллиптическую орбиту вокруг Земли Спутник-3 с солнечными батареями на борту.

Первая отечественная солнечная электростанция в космосе

Кремниевые панели солнечных батарей были установлены на днище и в носовой части Спутника-3. Такое расположение позволило получать дополнительную электроэнергию практически непрерывно, независимо от положения спутника на орбите относительно солнца.

Третий искусственный спутник. Отчетливо видна солнечная батарея

Бортовые аккумуляторные батареи исчерпали свой ресурс за 20 дней, и 3 июня 1958 года большинство приборов, установленных на спутнике, были обесточены. Однако продолжали работать прибор для изучения излучения Солнца, радиопередатчик, отправляющий на землю получаемую информацию, радиомаяк. После истощения бортовых батарей эти устройства полностью перешли на питание от солнечных батарей. Радиомаяк работал практически тех пор, пока в 1960 году спутник не сгорел в атмосфере Земли.

Развитие отечественной космической фотоэнергетики

Об энергоснабжении космических аппаратов конструкторы задумывались еще на стадии проектирования самых первых ракет-носителей. Ведь в космосе батареи не заменить, значит, срок активной службы космического аппарата обусловлен только емкостью бортовых батарей. Первый и второй искусственные спутники земли были оснащены только бортовыми батареями, которые истощились через несколько недель работы. Начиная с третьего спутника, все последующие космические аппараты были оборудованы солнечными батареями.

Главным разработчиком и изготовителем космических солнечных электростанций было научно-производственное предприятие «Квант». Солнечные панели «Кванта» установлены практически на всех отечественных космических аппаратах. Вначале это были кремниевые солнечные батареи. Их мощность была ограничена как заданными размерами, так и весом. Но затем учеными «Кванта» были разработаны и изготовлены первые в мире солнечные батареи на основе совершенно нового полупроводника – арсенида галлия (GaAs).

Кроме того, были запущены в производство абсолютно новые гелиевые панели, которые не имели аналогов в мире. Этой новинкой стали высокоэффективные гелиевые панели на подложке, имеющей сетчатую или струнную структуру.

Гелиевые панели с сетчатой и струнной подложкой

Специально для установки на космических аппаратах с низкими орбитами были спроектированы и изготовлены кремниевые гелиевые панели с двусторонней чувствительностью. Например, для российского сегмента международной космической станции (космического аппарата «Звезда») были изготовлены панели на кремниевой основе с двусторонней чувствительностью, причем площадь одной панели составляла 72 м².

Солнечная батарея космического аппарата «Звезда»

Были также разработаны на базе аморфного кремния и запущены в производство гибкие солнечные батареи, имеющие прекрасные удельные весовые характеристики: при весе всего 400 г/м² эти батареи вырабатывали электроэнергию с показателем 220 Вт/кг.

Гибкая гелиевая батарея на базе аморфного кремния

Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, в большом объеме проводились наземные исследования и испытания, которые выявляли отрицательные воздействия Большого Космоса на гелиевые панели. Это позволило перейти к изготовлению солнечных батарей для космических аппаратов различных типов со сроком активной работы до 15 лет.

Космические аппараты миссии «Венера»

В ноябре 1965 года с интервалом в четыре дня к нашей ближайшей соседке – Венере – стартовали два космических аппарата – «Венера-2» и «Венера-3». Это были два абсолютно одинаковых космических зонда, основная задача которых состояла в посадке на Венеру. На обоих космических аппаратах были установлены солнечные батареи на основе арсенида галлия, которые хорошо зарекомендовали себя на предыдущих околоземных аппаратах. За время полета вся аппаратура обоих зондов работала бесперебойно. Со станцией «Венера-2» было проведено 26 сеансов связи, со станцией «Венера-3» ─ 63. Таким образом, была подтверждена высочайшая надежность солнечных батарей этого типа.

Из-за сбоев аппаратуры управления была потеряна связь с «Венерой-2», но станция «Венера-3» продолжала свой путь. В конце декабря 1965 по команде с Земли была произведена коррекция траектории, и 1 марта 1966 года станция достигла Венеры.

Данные, полученные в результате полета этих двух станций, были учтены при подготовке новой миссии, и в июне 1967 года к Венере была запущена новая автоматическая станция «Венера-4». Так же, как и две ее предшественницы, она была оборудована арсенид-галлиевыми солнечными батареями общей площадью 2.4 м². Эти батареи поддерживали работу практически всей аппаратуры.

Станция «Венера-4». Внизу – спускаемый аппарат

18 октября 1967 года после отделения спускаемого аппарата и входа его в атмосферу Венеры станция продолжала свою работу на орбите, выполняя в том числе и роль ретранслятора сигналов с радиопередатчика спускаемого аппарата на Землю.

Космические аппараты миссии «Луна»

Солнечными батареями на базе арсенида галлия были «Луноход-1» и «Луноход-2». Солнечные батареи обоих аппаратов были смонтированы на откидывающихся крышках и служили верой и правдой весь срок работы. Причем на «Луноходе-1», программа и ресурс которого были рассчитаны на месяц работы, батареи проработали три месяца, втрое больше запланированного срока.

«Луноход-2» проработал на поверхности Луны чуть более четырех месяцев, пройдя путь в 37 километров. Он мог бы работать еще, если бы не перегрев аппаратуры. Аппарат попал в свежий кратер с рыхлым грунтом. Долго буксовал, но в конце концов смог выбраться на задней передаче. Когда он выбирался из ямы, на крышку с солнечными панелями попало небольшое количество грунта. Для поддержания заданного теплового режима откинутые солнечные панели на ночь опускались на верхнее покрытие аппаратного отсека. После выхода из кратера при закрывании крышки грунт из нее попал на аппаратный отсек, став своеобразным теплоизолятором. Днем температура поднялась выше сотни градусов, аппаратура не выдержала и вышла из строя.

Современные солнечные панели, изготовленные с применением самых современных нанотехнологий, с применением новых полупроводниковых материалов позволили достичь эффективности до 35% при значительном снижении веса. И эти новые гелиевые панели верой и правдой служат на всех аппаратах, отправляемых как на околоземные орбиты, так и в дальний космос.