Как складываются солнечные батареи на космической станции. Солнечные батареи в космическом пространстве

Солнечная батарея на МКС

Солнечная батарея - несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος , Helios - ). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

История

Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения Джакомо Луиджи Чамичаном.

25 апреля 1954 года, специалисты компании Bell Laboratories заявили о создании первых солнечных батарей на основе кремния для получения электрического тока. Это открытие было произведено тремя сотрудниками компании - Кельвином Соулзером Фуллером (Calvin Souther Fuller), Дэрилом Чапин (Daryl Chapin) и Геральдом Пирсоном (Gerald Pearson). Уже через 4 года, 17 марта 1958 году, в США был запущен первый с солнечными батареями - Vanguard 1. Спустя всего пару месяцев, 15 мая 1958 года в СССР был запущен Спутник-3, также с использованием солнечных батарей.

Использование в космосе

Солнечные батареи - один из основных способов получения электрической энергии на : они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и .

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой ) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к и , напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

Эффективность фотоэлементов и модулей

Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу (AM0), составляет около 1366 ватт на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С помощью распространённых промышленно производимых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с эффективностью 9-24 %. При этом цена батареи составит около 1-3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.

В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с эффективностью 39 %. В 2011 году калифорнийская компания Solar Junction добилась КПД фотоэлемента размером 5,5×5,5 мм в 43,5 %, что на 1,2 % превысило предыдущий рекорд.

В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26-30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив практический КПД фотоэлементов на основе кристаллического кремния.

В 2013 году компания Sharp создала трёхслойный фотоэлемент размером 4х4 мм на индиево-галлий-арсенидной основе с КПД 44,4 %, а группа специалистов из Института систем солнечной энергии общества Фраунгофера, компаний Soitec, CEA-Leti и Берлинского центра имени Гельмгольца создали фотоэлемент, использующий линзы Френеля с КПД 44,7 %, превзойдя своё собственное достижение в 43,6 %. В 2014 году Институт солнечных энергосистем Фраунгофер создали солнечные батареи, в которых благодаря фокусировке линзой света на очень маленьком фотоэлементе КПД составил 46%.

В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.

Перспективным направлением является создание фотоэлементов на основе наноантенн, работающих на непосредственном выпрямлении токов, наводимых в антенне малых размеров (порядка 200-300 нм) светом (т. е. электромагнитным излучением частоты порядка 500 ТГц). Наноантенны не требуют дорогого сырья для производства и имеют потенциальный КПД до 85%.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях

Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые
Si (кристаллический)	24,7
Si (поликристаллический)	20,3
Si (тонкопленочная передача)	16,6
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
III-V
GaAs (кристаллический)	25,1
GaAs (тонкопленочный)	24,5
GaAs (поликристаллический)	18,2
InP (кристаллический)	21,9
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Органические
Органический полимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов

Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.

Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.

Производство

Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.


Где будем размещать КСЭ? Вероятнее всего на ГСО. На других орбитах надо или приёмники по всей планете ставить, или кучу аккумуляторов с собой возить.

Не будем пока фантазировать, а разберёмся с имеющимися возможностями

РН «Ангара» с космодрома «Плесецк» донесёт до ГСО 3-4 тонны. Что можно в них засунуть? Очень приблизительно квадратов 100 панелей солнечных батарей. С постоянной направленностью на Солнце и КПД процентов 20 можно выжать по 300 Вт с квадрата. Предположим они будут деградировать по 5% в год (надеюсь никого не удивит, что солнечные панели в космосе портятся от радиации, микрометеоритов и пр.).
Давайте считать: (100*300*24*365*20)/2=2 628 000 000 Вт ч.
Чтобы осознать весь масштаб проблемы, пусть эти мегаватты без потерь добираются до Земли. Мощность внушает, но что если мы никуда не летим. В наличии 300 тонн керосина. Керосин почти бензин. Делает ещё одно допущение и берём обычный бензогенератор (200КВт за 50 литров в час).
200000*300000/50=1 200 000 000 Вт ч
Что получается: сливаем бензин с ракеты и уже получаем половину мощности.
Ещё полракеты занимает жидкий кислород. Хотел посчитать охлаждение и сжижение через теплоёмкость, но потом просто попалась цена в интернете 8200 рублей за тонну жидкого кислорода. Поскольку в себестоимости практически одно электричество получим (киловатт пусть будет 2 рубля):
300*8200*1000/2= 1 230 000 000 Вт ч
Опа, вторая половина. Уже КПД 0%. Это мы ещё ракету не считали.

А вот мы изобретём некий закидыватель полезных грузов на орбиту

То есть каким-то образом сообщим панелям кинетическую энергию в виде 10км/с:
3000*10000 2 /2 = 150000000000 Дж = 41 700 000 Вт ч
Вроде бы налицо КПД 5000%, но есть некоторые проблемы:
- достаточно высоко выбросить объект вряд ли получится, поэтому часть массы и энергии необходимо потратить на преодоление атмосферы;
- всё что выброшено с Земли по законам баллистики на Землю и вернётся, то есть ещё часть массы уйдёт на подъём перигея.
Пускай тонна ушла на теплозащиту. Посчитаем изменение орбиты:
ΔV=корень((3,986ּ10 14 /42000000)(1+2*6000000/(6000000+42000000)))=3441 м/с
Лучшие движки дают импульс 4500. Берём формулу Циолковского:
М конечная =2000/exp(4500/3500)=572 кг
А давайте возьмём электроракетные двигатели, импульс же раз в 10 больше и панели у нас есть. Да, но при имеющейся мощности панелей, тяга будет миллиньютоны, и на переход уйдут годы. А у нас до приземления всего пара часов.
В итоге: минус двигатель, баки, перегрузки - хорошо, если получим столько же.

А давайте поднимем панели на лифте

Идея в целом неплохая. Если просто поднять груз на высоту, то считаем изменение потенциальной энергии:
3000*9.81*36000000/3600 = 294 300 000 Вт ч
Как их сообщить грузу? Варианты передачи электричества:
- По самому лифту. Нетрудно представить потери и массу проводника длиной 36000 км. Сам бы лифт построить.
- Лазером – минус существенная часть массы на преобразование.
- Какое-то число панелей доставить традиционным способом и потом бесплатно поднять остальные на верёвочке. На мегаватт мощности надо 3 км 2 панелей. При этом на подъём груза понадобится две недели. Т.е. тот же мегаватт мы поднимем за год.

Прочие сложности

Свободно оперируя километрами панелей и эффективностью приёма солнечной энергии в космосе, редкие авторы рассказывают а как они собираются ориентировать панели на Солнце. ГСО стационарно только относительно Земли. Соответственно нужны механизмы, топливо.
Ещё нужны преобразователи, хранители, приёмники на Земле. Много ли потребителей у экватора? Высоковольтные линии через половину шарика. Если это всё помножить на не 100% вероятность выполнения задачи, спрашивается кому это вообще по силам?

Выводы:

- При существующих технологиях строить космическую солнечную энергостанцию нерентабельно.
- Даже, если поднять всё на космическом лифте, ко времени завершения строительства встанет вопрос как утилизировать выходящие из строя панели.
- Можно подогнать к Земле астероид и наделать панелей из него. Что-то мне подсказывает, что к тому времени как мы это сможем, уже не будет необходимости передавать энергию на Землю.

Однако дыма ведь без огня не бывает. И под кажущимися мирными намерениями могут скрываться совсем другие.
Например, строительство боевой космической станции на порядки проще и гораздо эффективнее:
- орбиту можно и нужно выбрать пониже;
- 100% попадание в приёмник необязательно;
- очень малое время от нажатия на кнопку пуск до поражения цели;
- отсутствие загрязнения местности.

Вот такие выводы. Возможно вычисления содержат ошибки. Традиционно предлагаю читателям их поправить.

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.

Солнечные батареи зачастую бывают довольно больших размеров, поэтому сложно подобрать такие объекты недвижимости, на которых их можно было бы разместить. Одна швейцарская компания разработала новый подход и нашла свои пути решения этой проблемы. Компания запускает плавающий остров, покрытый солнечными батареями на озеро Невшатель. Каждый из трех запланированных островов диаметром 25 метров сможет разместить на себе 100 фотоэлектрических панелей, которые будут работать на протяжении следующих 25 лет. Острова так же будут использованы в научно-исследовательских целях.

В последнее время, судоходные компании все чаще и чаще прибегают к использованию интенсивной солнечной энергетики, размещая на борту панели солнечных батарей. Впервые солнечные батареи на корабле были размещены в Шанхае в 2010 году. Корабль был оснащен огромной солнечной батареей, сделанной в виде паруса. По такому же принципу сделана яхта Turanor PlanetSolar, которая совсем недавно завершила кругосветное плавание, используя солнечную энергетику.

Солнечные батареи в небе

2013 года стал рекордным годом по использованию солнечных батарей в качестве источника энергии для самолетов. Компания Solar Impulse разработала самолет, совершивший самый продолжительный полет с использованием солнечной энергии. Самолет пролетел через всю Америку этим летом.

Разумеется, летать на солнечной энергии, пока что могут только небольшие, беспилотные самолеты. Солнечные батареи значительно облегчают конструкцию дронов, и увеличивают время их возможного пребывания в воздухе.

Одним из примеров использования солнечных батарей в воздухе является подъемник, размещенный высоко в горах, который способен подымать людей на вершину горы с помощью солнечной энергии.

Солнечные батареи в космосе

Исследователи Университета Карнеги-Меллона создали прототип разведочного ровера, который в будущем, планируется отправить на Луну, на ракете SpaceX. Устройство, называемое Polaris, полностью работает на солнечной энергии. Polaris будет использован для изучения полярных лунных широт. Ровер оснащен специальным программным обеспечением, которое поможет ему работать в более темных областях спутника.

Вы так же наверняка слышали о большом количестве космического мусора на орбите. Было бы неплохо восстановить эти спутники и вернуть их на землю для ремонта и дальнейшего возвращения на орбиту. Эта идея легла в основу новой концепции Solara, устройства работающего на солнечных батареях и не требующего постоянного ремонта. Атмосферный спутник разработан компанией Titan Aerospace. Solara способен работать в высочайших слоях атмосферы на протяжении пяти лет подряд.

Последней и самой амбициозной надеждой является проект японской фирмы, которая планирует построить массив солнечных батарей вокруг экватора Луны, а затем запустить луч энергии обратно на Землю. На создание «Кольца Луны » уйдет около 30 лет. По предположениям специалистов компании лунное кольцо будет генерировать до 13000 ТВт (тераватт) постоянной энергии.