Как делают солнечные батареи для космоса (27 фото)
Это фотоэлектрические преобразователи — полупроводниковые устройства, преобразующие 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 в Краснодаре — на заводе «Сатурн».
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. «Очаково» вложила сюда большие средства, закупила современное оборудование, сумела удержать специалистов 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 трех часов выращивается кристаллический слой, который будет служить основой для будущего фотоэлемента. Стоимость такой установки — около трех миллионов 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 пятнадцати 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. Такие 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/см2, при испытаниях разрыв произошел при давлении 148 кг·с/см2.
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.
Источник
Солнечные батареи на космических кораблях — Solar panels on spacecraft
Космические аппараты, работающие во внутренней части Солнечной системы, обычно используют фотоэлектрические солнечные панели для получения электричества из солнечного света . За пределами орбиты Юпитера солнечное излучение слишком слабое, чтобы производить достаточную мощность в рамках нынешних солнечных технологий и ограничений массы космических аппаратов, поэтому вместо этого в качестве источника энергии используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи).
СОДЕРЖАНИЕ
История
Первым космическим кораблем, в котором использовались солнечные батареи, был спутник Vanguard 1 , запущенный США в 1958 году. Это произошло во многом благодаря влиянию доктора Ханса Циглера , которого можно считать отцом солнечной энергии космических кораблей. Спутник питался от кремниевых солнечных элементов с эффективностью преобразования ≈10%.
Использует
Солнечные панели на космическом корабле обеспечивают питание для двух основных целей:
- Питание для запуска датчиков, активного нагрева, охлаждения и телеметрии.
- Электропитание для силовой установки космического корабля с электроприводом , иногда называемой электрической движительной установкой или солнечно-электрической движительной установкой.
Для обоих применений ключевым показателем качества солнечных панелей является удельная мощность (генерируемые ватты, деленные на массу солнечной батареи ), которая указывает на относительной основе, сколько мощности будет генерировать одна батарея при заданной стартовой массе по сравнению с другой. Другой ключевой показатель — это эффективность упаковки в сложенном состоянии (выработанная мощность в развернутом состоянии, разделенная на сложенный объем), которая показывает, насколько легко массив поместится в ракету-носитель. Еще один ключевой показатель — это стоимость (в долларах за ватт).
Для увеличения удельной мощности типичные солнечные панели на космических кораблях используют плотно упакованные прямоугольники солнечных элементов, которые покрывают почти 100% видимой для Солнца области солнечных панелей, а не круги солнечных пластин, которые, даже будучи плотно упакованными, покрывают около 90% видимой Солнцу площади типичных солнечных панелей на Земле. Однако некоторые солнечные панели на космических кораблях имеют солнечные элементы, которые покрывают только 30% видимой для Солнца области.
Выполнение
Солнечные панели должны иметь большую площадь поверхности, которая может быть направлена к Солнцу при движении космического корабля. Более открытая поверхность означает, что больше электричества может быть преобразовано из световой энергии Солнца. Поскольку космический корабль должен быть небольшим, это ограничивает количество производимой энергии.
Все электрические цепи выделяют отходящее тепло ; Кроме того, солнечные батареи действуют как оптические и тепловые, а также как электрические коллекторы. От их поверхностей должно исходить тепло. Космические корабли большой мощности могут иметь солнечные батареи, которые конкурируют с самой активной полезной нагрузкой за рассеивание тепла. Самая внутренняя панель массивов может быть «пустой», чтобы уменьшить перекрытие видов в пространстве. К таким космическим аппаратам относятся спутники связи с более высокой мощностью (например, TDRS более позднего поколения ) и Venus Express , но не мощные, но более близкие к Солнцу.
Космический корабль построен так, что солнечные панели можно поворачивать во время движения космического корабля. Таким образом, они всегда могут оставаться на прямом пути световых лучей, независимо от того, как направлен космический корабль. Космические корабли обычно проектируются с солнечными панелями, которые всегда можно направить на Солнце, даже когда остальная часть космического корабля движется, так же, как турель танка может быть нацелена независимо от того, куда движется танк. Механизм слежения часто включается в солнечные батареи, чтобы держать их направленными к солнцу.
Иногда операторы спутников целенаправленно ориентируют солнечные панели «не в точку» или не в прямом направлении от Солнца. Это происходит, если батареи полностью заряжены и количество необходимой электроэнергии меньше, чем количество произведенной электроэнергии; смещение также иногда используется на Международной космической станции для уменьшения сопротивления орбиты .
Проблемы ионизирующего излучения и смягчение его последствий
Космос содержит различные уровни электромагнитного излучения, а также ионизирующего излучения. Есть 4 источника излучения: радиационные пояса Земли (также называемые поясами Ван Аллена), галактические космические лучи (ГКЛ), солнечный ветер и солнечные вспышки . Пояса Ван Аллена и солнечный ветер содержат в основном протоны и электроны, в то время как GCR — это в основном протоны очень высоких энергий, альфа-частицы и более тяжелые ионы. Солнечные панели со временем будут испытывать снижение эффективности в результате этих типов излучения, но скорость ухудшения будет сильно зависеть от технологии солнечных элементов и от местоположения космического корабля. С панельными покрытиями из боросиликатного стекла потеря эффективности может составлять от 5 до 10% в год. Другие стеклянные покрытия, такие как плавленый кварц и свинцовые стекла, могут снизить эту потерю эффективности до менее 1% в год. Скорость разложения зависит от спектра дифференциального потока и общей ионизирующей дозы.
Типы обычно используемых солнечных элементов
Вплоть до начала 1990-х годов в солнечных батареях, используемых в космосе, в основном использовались солнечные элементы из кристаллического кремния . С начала 1990-х годов солнечные элементы на основе арсенида галлия стали более предпочтительными по сравнению с кремнием, потому что они имеют более высокий КПД и разлагаются медленнее, чем кремний, в среде космического излучения. Самые эффективные солнечные элементы, производимые в настоящее время, — это многопереходные фотоэлектрические элементы . В них используется комбинация нескольких слоев фосфида индия-галлия, арсенида галлия и германия для получения большего количества энергии из солнечного спектра. Передовые многопереходные элементы способны превышать 39,2% при неконцентрированном освещении AM1,5G и 47,1% при концентрированном освещении AM1,5G.
Космические аппараты, использовавшие солнечную энергию
На сегодняшний день солнечная энергия, кроме двигательной, применима для космических аппаратов, работающих не дальше от Солнца, чем орбита Юпитера . Например, Juno , Magellan , Mars Global Surveyor и Mars Observer использовали солнечную энергию, как и орбитальный космический телескоп Хаббла . Rosetta космический зонд , запущенный 2 марта 2004, использовал свои 64 квадратных метров (690 кв.м) , солнечных панелей, насколько орбиты Юпитера (5,25 а.е. ); ранее самым дальним использованием был космический корабль » Звездная пыль» на высоте 2 астрономических единиц. Солнечная энергия для движения также использовалась в европейской лунной миссии SMART-1 с двигателем на эффекте Холла .
Миссия Juno , запущенная в 2011 году, является первой миссией к Юпитеру (прибыла к Юпитеру 4 июля 2016 года) с использованием солнечных батарей вместо традиционных РИТЭГов, которые использовались в предыдущих миссиях за пределами Солнечной системы, что делает его самым дальним космическим кораблем для использования. солнечные панели на сегодняшний день. Он имеет 72 квадратных метра (780 квадратных футов) панелей.
Еще один интересный космический аппарат — Dawn, который вышел на орбиту около 4 Весты в 2011 году. Он использовал ионные двигатели, чтобы добраться до Цереры .
Возможности космических аппаратов на солнечных батареях за пределами Юпитера были изучены.
Международная космическая станция также использует солнечные батареи для питания всего на станции. 262 400 солнечных элементов покрывают около 27 000 квадратных футов (2 500 м 2 ) пространства. Четыре комплекта солнечных батарей питают станцию, а четвертый комплект батарей был установлен в марте 2009 года. Эти солнечные батареи могут вырабатывать 240 киловатт электроэнергии. Это составляет 120 киловатт средней мощности системы, включая 50% времени нахождения МКС в тени Земли.
Будущее использование
Для будущих миссий желательно уменьшить массу солнечных батарей и увеличить мощность, вырабатываемую на единицу площади. Это уменьшит общую массу космического корабля и может сделать работу космических кораблей на солнечной энергии возможной на больших расстояниях от Солнца. Масса солнечной батареи может быть уменьшена с помощью тонкопленочных фотоэлементов, гибких подложек и композитных опорных структур. Эффективность солнечной батареи можно повысить за счет использования новых материалов фотоэлектрических элементов и солнечных концентраторов, которые усиливают падающий солнечный свет. Фотовольтаические солнечные батареи-концентраторы для основного питания космических кораблей — это устройства, которые усиливают солнечный свет на фотовольтаике. В этой конструкции используется плоская линза, называемая линзой Френеля , которая захватывает большую площадь солнечного света и концентрирует его на меньшем участке, позволяя использовать меньшую площадь солнечного элемента.
Солнечные концентраторы помещают по одной из этих линз на каждый солнечный элемент. Это фокусирует свет из большой области концентратора в меньшую область ячейки. Это позволяет уменьшить количество дорогих солнечных элементов за счет концентрации. Концентраторы работают лучше всего, когда есть единственный источник света и концентратор может быть направлен прямо на него. Это идеально подходит для космоса, где Солнце — единственный источник света. Солнечные элементы — самая дорогая часть солнечных батарей, а массивы часто — очень дорогая часть космического корабля. Эта технология может позволить значительно снизить затраты за счет использования меньшего количества материала.
Галерея
Авангард 1 , первый спутник на солнечной энергии
Источник