Кпд солнечных батарей в космосе

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.

Станция «Венера-3»

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-1

«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.

Луноход-2

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.

Разработка и изготовление солнечных элементов на основе различных полупроводниковых материалов. Проектирование и изготовление солнечных батарей для космических аппаратов со сроком активного существования до 15 лет.

В настоящее время в НПП «Квант» ведутся работы по трем основным направлениям развития космической фотоэнергетики и ее элементной базы, а именно:

Создание солнечных батарей на основе монокристаллического кремния

Созданные в НПП «Квант» кремниевые солнечные батареи соответствуют мировому уровню, что было подтверждено при выполнении ряда зарубежных заказов по их изготовлению в интересах Индии, Франции, Голландии, Чехии, Израиля, Китая. Эти батареи обладают:

наивысшей начальной удельной энергетической характеристикой

200Вт/м 2 ;

наименьшей деградацией за срок активного существования;

двусторонней чувствительностью, что используется на низколетящих космических аппаратах и позволяет увеличить выходную мощность солнечных батарей на 10-15 % за счет преобразования альбедо Земли (в частности, солнечные батареи для КА «Заря», «Звезда», российского сектора МКС, СБ для КА «Монитор-Э»).

Создание солнечных батарей на основе многокаскадных фотоэлектрических преобразователей с использованием сложных полупроводниковых материалов на инородных подложках.

С помощью солнечных элементов на основе каскадных сложных гетеропереходных структур, использующих тройные и четвертные соединения АIIIВV, наносимые на инородную полупроводниковую подложку, в настоящее время достигнуты максимальный кпд в условиях космоса, наилучшие результаты по удельной мощности, сроку активного существования и минимальной деградации за этот срок. C помощью подобных солнечных элементов освоен диапазон кпд 25-30%. Для целого класса перспективных космических аппаратов, например, крупных геостационарных платформ, а также космических аппаратов, предназначенных для транспортных операций в космосе с использованием электрореактивных двигательных установок, возможность выполнить современные целевые задачи позволяет только использование подобных высокоэффективных солнечных батарей. Учитывая это, а также используя многолетний опыт проектирования солнечных батарей на основе GaAs, НПП «Квант» развивает работы в указанном направлении.

Создание гибких тонкопленочных солнечных батарей на основе аморфного кремния с максимальной удельной энергомассовой характеристикой и минимальной стоимостью.

Это совершенно новое направление в космической фотоэнергетике. Наиболее перспективным типом таких фотоэлектрических преобразователей в настоящее время являются 3-х-каскадные ФЭП на основе аморфного кремния (a-Si). Первоначально созданные для целей наземной фотоэнергетики солнечные батареи из аморфного кремния в настоящее время рассматриваются для использования в условиях космоса, вследствие:

• возможности получения высоких энергомассовых характеристик солнечных батарей, в 4-5 раз выше, чем у солнечных батарей, изготовленных на основе монокристаллического кремния, несмотря на их меньший начальный кпд;
• высокой радиационной стойкости;
• возможности снижения на порядок и более удельной стоимости солнечной батареи по сравнению с монокристаллическим вариантом.

Существенным преимуществом гибких тонкопленочных солнечных батарей является их малый стартовый (транспортный) объем, возможность создания на их основе легко развертываемых солнечных батарей рулонного типа и т.д.

В качестве базовой технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе аморфного кремния для космического применения рассматривается освоенная совместным российско-американским предприятием ООО «Совлакс» (соучредители НПП «Квант», ЕСD Ltd.,USA) технология наземного применения. Эта технология обеспечивает формирование каскадной трехпереходной фотоэлектрической структуры на основе сплавов a-Si на тонкой ленточной подложке.

Современные проекты НПП «Квант» в области космической фотоэнергетики

• МКС: Российский сегмент из модулей «Заря» и «Звезда» с солнечными преобразователями с двусторонней чувствительностью
• Крупные геостационарные платформы «СиСат», «Экспресс-А», «Экспресс-АМ», «КазСат» и др.
• Космические аппараты для дистанционного зондирования Земли и метеорологии «Монитор-Э», «Метеор-3» и др.

Основные характеристики солнечных батарей НПП «Квант»

320

Основные характеристики	Моно- кристаллический	GalnP2-GalnAs-Ge трехкаскадные	Аморфный
Удельная мощность СБ при АМ0, 25°С в оптимальной точке ВАХ, Вт/м 2	200	350	90-100
Удельная мощность СБ при АМ0, 60°C, в оптимальной точке ВАХ, Вт/м 2	165-170	80-90
Удельная масса (по фотообразующей части без учёта каркаса), кг/м 2 :
— сетчатая подложка — сотовая подложка	1,7-1,85 1,4-1,5	1,9 1,6	0,3
Деградация рабочего тока за САС, %
— 10 лет GEO — 10 лет LEO — 10 лет на эллиптической и промежуточной орбитах	20 20 30	15 15 25	Радиационная деградация Солнечные преобразователи с двусторонней чувствительностью Обновлено: 8 августа 2019 КПД у разных типов солнечных панелей Существует несколько разновидностей солнечных модулей, которые изготавливаются по собственным технологиям и обладают определенными параметрами. КПД солнечных панелей определяет их способность преобразовать солнечную энергию в электрический ток. Расчет производится путем деления мощности энергии, вырабатываемой панелью, на мощность потока света, падающего на рабочую поверхность. Показатели панелей изначально определялись при стандартных лабораторных условиях (STS): уровень инсоляции — 1000 вт/ м2 температура — 25° Большинство современных производителей производят тестирование каждой собранной батареи и прилагают результаты к документации при продаже. Это дает более полную и корректную информацию о каждой панели, поскольку в процессе изготовления возможны некоторые отклонения от технологических нормативов. Поэтому сравнение любых двух (или более) панелей всегда выявляет небольшое расхождение демонстрируемых параметров. Практически любые отклонения в первую очередь отражаются на эффективности, т. е. на КПД солнечной батареи. Из-за этого все разновидности не имеют четко определенного значения. Обычно указывают довольно широкий диапазон, который может давать заметную разницу параметров солнечных модулей, изготовленных по одинаковой технологии. Все виды фотоэлементов обладают определенными свойствами, определяющими эффективность солнечных батарей. Каждая разновидность имеет свои пределы возможностей, обусловленные строением и составом полупроводников. Виды солнечных фотоэлементов и их КПД Существуют разные виды солнечных батарей: кремниевые теллур-кадмиевые из арсенида галлия из селенида индия полимерные органические комбинированные, многослойные Самые эффективные солнечные панели из тех, что находятся в серийном производстве — кремниевые. Их выпускают в двух видах: монокристаллические. Изготавливаются из тонких пластинок, срезанных с цельного (монолитного) кристалла кремния. Считается, что это — лучшие солнечные панели, демонстрирующие КПД от 17 до 22 % поликристаллические. Заготовкой для этих элементов является брикет кремния, который был расплавлен и разлит по формам. Такие панели обладают немного сниженными показателями по всем позициям, чем монокристаллические. Их КПД находится в диапазоне 12-17 % Есть еще одни современные солнечные батареи с высоким КПД — это панели на основе селенид-индия. Они способны выдать КПД 15-20 %. Несколько меньшими качествами обладают элементы из теллурида кадмия — не более 10-12 %. Остальные виды значительно уступают лидерам — аморфные и полимерные элементы демонстрируют КПД не более 5-6 %. Необходимо учитывать, что приведенные показатели — усредненные. У разных производителей есть образцы, превышающие обычные нормы эффективности. Это не меняет общей картины, но демонстрирует необходимость совершенствования технологий, разработки новых методов производства фотоэлементов. От чего зависит эффективность? КПД солнечных фотоэлектрических установок составляет лишь малую часть от теоретически возможных показателей. Расчетный КПД доходит до 80-87 %, но изъяны технологии, недостаточная чистота материалов и неточность сборки элементов существенно снижают эти значения. Основная проблема кремниевых элементов заключается в способности поглощать лучи только инфракрасного спектра, а энергия ультрафиолетовых участков остается неиспользованной. Проблема состоит в дороговизне процессов очистки, выращивания кристаллов и прочих тонких процедур, без которых ожидаемого эффекта не удастся добиться. Все солнечные панели с высоким КПД отличаются высокой стоимостью, что делает их недоступными для массового пользователя. Необходимо учитывать также погодные и климатические условия. Самая производительная система не сможет демонстрировать высокие результаты, если источник энергии скрыт за тучами, или находится низко над горизонтом. Этот фактор не подлежит регулированию, единственным способом борьбы с ним может стать повышенная эффективность солнечных панелей. Некоторые разновидности фотоэлементов способны вполне стабильно вырабатывать энергию в пасмурную погоду, например, тонкопленочные виды. Однако, их производительность невысока и не дает нужного количества энергии. Чем выше КПД батарей, тем сильнее падает количество вырабатываемой энергии при появлении облачности. Ежегодно появляются заявления от различных компаний или групп ученых о разработке высокоэффективных образцов солнечных панелей, стабильно работающих в сложных условиях. Однако, в продаже до сих пор есть только привычные кремниевые или пленочные разновидности, а новинок не видно. Причиной этого является слишком высокая себестоимость производства и нестабильность результатов технологий, вынуждающие изготовителей пока отказываться от недоработанных новшеств. Срок службы и окупаемость Большинство солнечных панелей способны работать по 25 лет и более. Однако, первоначальные характеристики со временем ухудшаются, происходит падение производительности и, как следствие, уменьшение КПД. Факторы, влияющие не длительность эксплуатации фотоэлементов: тип конструкции. Чем выше изначальная производительность, тем более высокие результаты панель будет показывать после многолетней службы условия эксплуатации. В регионах с сильными среднесуточными и среднегодовыми перепадами температур ресурс панелей быстро уменьшается. Происходит физический износ полупроводников, нарушается прочность соединения слоев, образующих p-n переход. Все эти факторы отрицательно влияют на КПД солнечных модулей Окупаемость панелей в первую очередь зависит от инсоляции — количества солнечной энергии, доступной фотоэлементам. Здесь необходимо учитывать следующие факторы: продолжительность светового дня положение солнца над горизонтом погодные условия в регионе Практика показывает, что средний процент деградации солнечных батарей составляет 0,6 % в год. Однако, к естественным процессам прибавляются внешние воздействия — температурные, механические и т.п. Поэтому производители обычно гарантируют, что в течение 10 лет эксплуатации производительность не упадет больше, чем на 10 %. Вопрос окупаемости солнечных панелей всерьез никем не рассматривается. Существуют приблизительные расчеты, показывающие количество выработанной энергии и ее среднюю стоимость в течение 10, 25 лет. Эти данные не способны показать реальной картины, поскольку все комплексы работают в собственных условиях, подвергаются тем или иным воздействиям и не могут гарантировать заданной производительности. Специалисты утверждают, что для некоторых регионов окупаемость солнечных батарей никогда не наступает, в других местностях она составляет около 10 или 15 лет. Подробные исследования не производятся, или ведутся только для данного района. Если необходимо узнать технико-экономические показатели СЭС, приходится каждый раз производить индивидуальный расчет для данных условий, моделей солнечных модулей и прочих факторов воздействия. Самые эффективные солнечные батареи Обычный пользователь не старается глубоко вникнуть в теорию, поэтому он чаще всего задает вопрос — хочу купить солнечные панели, какие лучше? Вопрос простой, но ответить на него однозначно крайне сложно. Все зависит от возможностей и потребностей покупателя. Споры о том, какие солнечные батареи самые эффективные ведутся с самого начала их использования. Несмотря на приоритет кристаллических кремниевых конструкций, нередко впереди оказываются другие виды панелей. Есть рекордсмены в этой области, например, фирма Sharp объявила о создании панелей с КПД 44 %. Эта же фирма создала модули с эффективностью 37,9 %. Есть образцы от других разработчиков с КПД около 32 %. Все эти модели весьма дороги и в массовое производство пока не поступают. Нерентабельность — основная проблема развития солнечных модулей. Исследования и разработки для повышения КПД Наиболее перспективным направлением исследований считается создание многослойных панелей. Основной упор делается на возможность получения энергии от инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, которые во многом более активны, чем видимые части спектра. Работы ведутся и в области очистки кремниевых структур, создания наиболее однородных и чистых кристаллов. Еще одним направлением является создание максимально плотных и ровных соединений полупроводников. Электрический ток возникает на границе двух материалов, и, если поверхность обоих изобилует впадинами и прочими изъянами, эти участки исключаются из общей рабочей зоны. Проблема технически сложная, поскольку речь идет о микронной точности шлифовки. Для промышленного производства эти методики пока слишком сложны, а цены на панели будут недоступны рядовым покупателям. Процесс исследований происходит непрерывно, поэтому ожидать положительных сдвигов можно в любой момент. Видео-инструкция по сборке своими руками