Журнал «Все о Космосе»
Солнечная батарея (панель)
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 — Солнце). 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 спутник 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 космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.
Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, 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 Земли (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%.
| 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.
Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели.
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.
Источник
Электроснабжение МКС
Единственный источник электроэнергии для МКС – Солнце. При помощи солнечных батарей, установленных на станции, свет солнца преобразуется в электроэнергию.
Российским сегментом МКС используется беспрерывное напряжение 28 вольт, подобное тому, которое применяется на космических кораблях «Союз» и «Спейс Шаттл». Выработка электроэнергии непосредственно производится при помощи солнечных батарей модулей «Заря» и «Звезда». Помимо этого она передается в российский сегмент от американского посредством преобразователя напряжения ARCU и при помощи преобразователя напряжения RACU в обратном направлении.
Изначально было запланировано, что обеспечение станции электроэнергией будет происходить посредством российского модуля Научно-энергетической платформы. Но вслед за катастрофой шаттла «Колумбия» график полетов шаттлов, а также программа установки станции претерпели изменения. В частности, было решено отказаться от поставки и монтажа Научно-энергетической платформы, в виду чего на сегодняшний день значительное количество электроэнергии генерируется солнечными батареями американского сегмента.
В американском секторе организация солнечных батарей по следующему принципу: благодаря двум складным панелям солнечных батарей образуется крыло солнечной батареи. На ферменных конструкциях МКС расположено четыре пары подобных крыльев. Длина крыла составляет 35 метров, ширина – 11,6 метров, полезная площадь – 298 квадратных метров, а вырабатываемая и суммарная мощность достигает 32,8 кВт.
Первичное постоянное напряжение генерируется солнечными батареями от 115 до 173В. Далее оно модифицируется во вторичное стабилизированное постоянное напряжение размером 124В при помощи блоков DDCU. Как раз оно и является источником питания для электрооборудования американского сегмента станции.
Один оборот вокруг Земли совершается станцией за 90 минут. Около половины этого времени она находится в тени Земли. В это время солнечные батареи нефункциональны, и электроснабжение станции осуществляется посредством буферных никель-водородных аккумуляторных батарей, подзаряжаемых в период нахождения МКС на солнечном свету.
Срок эксплуатации аккумуляторов – 6,5 лет, и в течение работы станции планируется неоднократная их замена. Первая замена уже была осуществлена в июле 2009 года на сегменте Р6 во время полета шаттла «Индевор» STS-127, когда астронавты выходили в открытый космос.
В нормальных условиях в целях увеличения до максимума выработки энергии происходит отслеживание Солнца солнечными батареями американского сегмента. При этом наведение солнечных батарей на Солнце производится посредством приводов «Альфа» и «Бета». В случае нахождения МКС в тени Земли, солнечные батареи переключаются на режим ночного планирования, когда в целях уменьшения сопротивления атмосферы, присутствующей на высоте полета МКС, они поворачиваются краем по направлению движения.
Источник
Энергетическая система Международной космической станции
Всю свою энергию МКС получает от Солнца. Как и Земля, станция находится на расстоянии в примерно 149 миллионов километров от ближайшей звезды. На этой дистанции возможно извлекать более киловатта энергии с каждого квадратного метра. Энергия на станции собирается солнечными панелями, которые используют фотоэффект для получения непосредственно электричества. Основными потребителями электроэнергии на станции являются системы терморегуляции, насосы, системы обработки воздуха, оборудование для связи.
На фермах американского сегмента МКС расположено восемь крыльев с солнечными панелями для выработки электроэнергии. Остальные беловатые прямоугольники — это не фотоэлементы, а радиаторы для рассеивания излишнего тепла. Каждое из восьми крыльев содержит по две панели, каждая из панелей состоит из 16400 ячеек, расположенных на примерно 105 квадратных метрах. Общая площадь всех 16 панелей составляет 1680 квадратных метров. В начале эксплуатации вырабатывалось 124 киловатта энергии, но сейчас типичным является значение в 80 кВт — электрические элементы деградируют из-за ионизирующего излучения. Разумеется, значение мощности меняется в зависимости от положения относительно Солнца.
Пример реальных выдаваемых тока и напряжения для каждого из восьми крыльев. Согласно этим данным, панели вырабатывают примерно 52 киловатта энергии.
Названия каждого из крыльев
Российские модули полностью автономны. Их не доставлял космический челнок, поэтому они имеют свои системы контроля, связи и маневрирования, есть у них и солнечные панели. Первым модулем МКС стала «Заря» или ФГБ/FGB, как его называют все астронавты. Две панели 10,67×3,35 метров и 6 никель-кадмиевых батарей «Зари» могут предоставлять в среднем 3 киловатта мощности. Сейчас солнечные панели этого модуля свёрнуты, чтобы не мешаться радиаторам на ферме американского сегмента. Солнечные панели «Звезды» раскрыты, их максимальная мощность составляет 13,8 киловатт, которые трудно достичь из-за тени от американского сегмента.
Сейчас солнечные панели на ферме вырабатывают примерно 160 вольт, которые проходят через устройство преобразования постоянного тока (DDCU). На выходе получается 124 вольта постоянного тока, это напряжение используется в американском сегменте. В DDCU используется преобразователь Вайнберга. Напряжение может опускаться и в дальнейшем при использовании в других международных модулях, к примеру, некоторое японское оборудование требует 124 вольт, некоторое 28, некоторое 50.
Для российского сегмента напряжение опускают до 28 вольт постоянного тока — подобное значение исторически закрепилось в советской и российской космонавтике. В ранние периоды развития МКС приходилось поднимать российские 28 вольт до 120 для использования в американских модулях.
Розетки расположены в различных модулях станции. Вот так выглядят Utility Outlet Port (UOP) для получения 120 вольт.
Так выглядят розетки на 28 вольт в российском сегменте.
МКС совершает виток вокруг Земли примерно за полтора часа и часто находится в тени. Во то время, когда станция освещена, солнечные панели собирают энергию, небольшая часть которой сохраняется для последующего использования в аккумуляторных батареях в блоке BCDU (Battery Charge/Discharge Unit). На каждую из 16 панелей приходится по 6 никель-водородных батарей. Сохранённая энергия используется после входа в тень Земли. Кстати, срок жизни этих батарей составляет всего 6,5 лет, то есть их приходится менять. Первый комплект продержался почти 10 лет — 50 тысяч циклов зарядки-разрядки вместо 38 тыс. проектных.
Источник