Холдинг "Российские космические системы" (РКС, входит в состав "Роскосмоса") завершил создание модернизированной системы электрической защиты для солнечных батарей отечественного производства. Её применение позволит существенно продлить срок работы источников питания космических аппаратов и сделает российские солнечные батареи одними из самых энергоэффективных в мире. О разработке сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию.
В конструкции новых диодов использовали запатентованные технические решения, которые существенно улучшили их эксплуатационные характеристики и повысили их надёжность. Так, применение специально разработанной многослойной диэлектрической изоляции кристалла позволяет диоду выдерживать обратное напряжение до 1,1 киловольта. Благодаря этому новое поколение защитных диодов может использоваться с самыми эффективными из существующих фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). Ранее, когда диоды были неустойчивыми к высокому обратному напряжению, приходилось выбирать не самые эффективные образцы.
Для повышения надёжности и срока службы диодов в РКС создали новые многослойные коммутирующие шины диодов на основе молибдена, благодаря которым диоды выдерживают более 700 термоударов. Термоудар - типичная ситуация для фотоэлементов в космосе, когда при переходе из освещённой части орбиты в затенённую Землёй температура за несколько минут изменяется более чем на 300 градусов Цельсия. Стандартные компоненты земных солнечных батарей такого не выдерживают, а ресурс космических во многом определяется количеством термоударов, которое они могут пережить.
Срок активного существования солнечной батареи космического аппарата, оснащённой новыми диодами, увеличится до 15,5 года. Ещё 5 лет диод может храниться на Земле. Таким образом, общий гарантийный срок эксплуатации диодов нового поколения составляет 20,5 года. Высокая надёжность устройства подтверждена независимыми ресурсными испытаниями, в ходе которых диоды выдержали более семи тысяч термоциклов. Отработанная групповая технология производства позволяет РКС выпускать более 15 тысяч диодов нового поколения в год. Их поставки планируется начать уже в 2017 году.
Новые фотоэлементы выдержат до 700 перепадов температуры на 300 градусов Цельсия и смогут проработать в космосее более 15 лет
Солнечные батареи для космоса состоят из фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) размером 25х50 миллиметров. Площадь солнечных батарей может достигать 100 квадратных метров (для орбитальных станций), поэтому ФЭП в одной системе может быть очень много. ФЭП расположены цепочками. Каждую отдельную цепочку называют "стринг". В космосе отдельные ФЭП периодически поражаются космическими лучами, и если бы на них не было никакой защиты, то из строя могла бы выйти вся солнечная батарея, в которой находится поражённый преобразователь.
Основу системы защиты солнечной батареи составляют диоды - небольшие устройства, устанавливаемые в комплекте с ФЭП. Когда солнечная батарея частично или полностью попадает в тень, ФЭП вместо подачи тока на аккумуляторы начинают его потребление - через ФЭП идёт обратное напряжение. Чтобы этого не происходило, на каждом ФЭП устанавливается шунтирующий диод, а на каждый "стринг" - блокирующий диод. Чем эффективнее ФЭП, чем больше тока он выдаёт, тем больше будет обратное напряжение при попадании солнечной батареи в тень Земли.
Если шунтирующий диод "не тянет" обратное напряжение выше определённой величины, ФЭП придется делать менее эффективными, чтобы как прямой ток зарядки батарей, так и обратный ток нежелательной разрядки были минимальны. Когда со временем под воздействием дестабилизирующих факторов космического пространства отдельные ФЭП или сразу "стринг" выходят из строя, такие элементы просто отсекаются, не затрагивая рабочие ФЭП и другие "стринги". Это позволяет остальным, ещё исправным, преобразователям продолжать работу. Таким образом, именно от качества диодов зависит энергоэффективность и срок активного существования солнечной батареи.
В СССР на солнечных батареях использовались только блокирующие диоды, при неисправности одного ФЭП выключавшие сразу целую цепочку преобразователей. Из-за этого деградация солнечных батарей на советских спутниках была быстрой и работали они не очень долго. Это заставляло чаще делать и запускать аппараты им на замену, что было весьма недёшево. С 1990-х при создании отечественных космических аппаратов стали применять ФЭП иностранного производства, которые закупались в сборе с диодами. Переломить ситуацию удалось лишь в XXI веке.
На днях в Колорадо прошла конференция «Новое поколение суборбитальных исследователей» , на которой обсуждались, в частности, проекты строительства космических солнечных станций. И если раньше подобные идеи никто всерьез не воспринимал, то сейчас они действительно близки к реализации.
Так, Конгресс США готовит план постепенного перехода Америки от ископаемого топлива на космическую энергетику. За внедрение проекта будет отвечать специально созданный департамент космоса, активную роль в его работе будут играть NASA, министерство энергетики и другие организации.
До октября нынешнего года министерство юстиции должно представить Конгрессу все необходимые изменения и дополнения к действующему федеральному законодательству, чтобы начать строительство космических солнечных электростанций. В рамках программы на начальном этапе планируется разработать системы ядерных космических двигателей, чтобы применять корабли многоразового использования для космической логистики и строительства гелиоустановок на орбите.
В активной разработке также технологии, позволяющие преобразовать солнечный свет в электричество и телепортировать его на Землю.
В частности, специалисты Калифорнийского технологического института предлагают освещать планету с помощью орбитальных «ковров-самолетов». Это системы из 2 500 панелей толщиной 25 мм и длиной в 2/3 футбольного поля. Элементы такой станции будут доставлять на орбиту ракеты вроде Space Launch System — американской сверхтяжелой ракеты-носителя, разрабатываемой NASA. Космическая электростанция создается в рамках SSPI (Space Solar Power Initiative) — партнерского проекта Калифорнийского технологического университета и компании Northrup Grumman. Последняя инвестировала $17,5 млн, чтобы в течение предстоящих трех лет разработать основные компоненты системы. Инициативу также поддержали исследователи в лаборатории Jet Propulsion в NASA.
По словам профессора Калифорнийского технологического университета Гарри Этуотера , возглавившего Space Solar Power Initiative, «ковры-самолеты» преобразуют солнечную энергию в радиоволны и отправляют их на землю. Энергия будет передаваться по принципу фазированной решетки, которая используется в радарных системах. Это позволит создавать поток, движущийся в любом направлении.
Солнечные панели состоят из плиток, размером 10х10 см и весом около 0,8 г, что обеспечит сравнительно невысокую стоимость запуска конструкции. Каждая плитка станет передавать преобразованную энергию автономно и если одна из них выйдет из строя, остальные будут продолжать работать. Потеря нескольких элементов из-за солнечных вспышек или мелких метеоритов не нанесет вреда электростанции. По расчетам ученых, при массовом производстве стоимость электричества от такого источника будет меньше, чем при использовании угля или природного газа.
Процент наземных солнечных установок в общем балансе энергообеспечения многих стран мира становится все выше. Но возможности таких электростанций ограничены: по ночам и при сильной облачности солнечные батареи утрачивают способность вырабатывать электричество. Поэтому идеальный вариант — разместить гелиоэлектростанции на орбите, где день не сменяется ночью, а облака не создают преград между Солнцем и панелями. Главным преимуществом постройки электростанции в космосе является ее потенциальная эффективность. Солнечные батареи, расположенные в космосе, могут генерировать энергии в десять раз больше батарей, размещенных на поверхности Земли.
Идея орбитальных электростанций разрабатывалась давно, ученые из NASA и Пентагона занимаются подобными исследованиями еще с 60-х годов. Ранее воплощение подобных проектов тормозила высокая стоимость транспортировки, но с развитием технологий космические электростанции могут в обозримом будущем стать реальностью.
Уже есть несколько интересных проектов по строительству солнечных установок на орбите. Кроме Space Solar Power Initiative, американцы разрабатывают орбитальную солнечную панель, которая будет поглощать солнечное излучение и передавать электронные пучки с помощью радиоволн на земной ресивер. Авторами разработки стали специалисты из научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Они построили компактный солнечный модуль, на одной стороне которого оборудована фотовольтаическая панель. Внутри панели установлена электроника, преобразующая прямой ток в радиочастоту для передачи сигнала, другая сторона поддерживает антенну для передачи электронных пучков на Землю.
По словам ведущего автора разработки Поля Джаффе, чем ниже частота электронного пучка, несущего энергию, тем более надежной будет ее передача в плохую погоду. А при частоте 2.45 ГГц, можно получать энергию даже в сезон дождей. Солнечный ресивер обеспечит энергией все военные операции, о дизельных генераторах можно будет навсегда забыть.
США не единственная страна, которая планирует получать электроэнергию из космоса. Жесткая борьба за традиционные энергетические ресурсы заставила многие государства искать альтернативные источники энергии.
Японское агентство по освоению космоса JAXA разработало для установки на орбите Земли фотоэлектрическую платформу. Собранная с помощью установки солнечная энергия станет поступать на приемные станции Земли и преобразовываясь в электричество. Сбор солнечной энергии будет вестись на высоте 36 тыс. км.
Такая система, состоящая из серии наземных и орбитальных станций, должна начать работать уже в 2030 г., ее общая мощность составит 1 ГВт, что сопоставимо со стандартной атомной электростанцией. Для этого в Японии планируется построить искусственный остров длиной 3 км, на котором развернут сеть из 5 млрд антенн для преобразования в электричество радиоволн сверхвысоких частот. Возглавивший разработку научный сотрудник JAXA Сусуми Сасаки уверен, что размещение солнечных аккумуляторов в космосе приведет к революции в энергетике, позволив со временем полностью отказаться от традиционных источников энергии.
Аналогичные планы есть и у Китая, который построит на орбите Земли солнечную электростанцию размером больше, чем Международная космическая станция. Общая площадь солнечных панелей установки составит 5-6 тыс. кв. км. Согласно расчетам экспертов такая станция станет собирать солнечные лучи 99% времени, причем космические гелиопанели смогут генерировать в 10 раз больше электричества на единицу площади, чем наземные аналоги. Предполагается, что для передачи на наземный коллектор вырабатываемая электроэнергия будет преобразовываться в микроволны или лазерный луч. Начало строительства запланировано на 2030 г., стоимость проекта составит около $1 трлн.
Мировые инженеры оценивают возможности строительства солнечных космических электростанций не только на орбите, но и в областях, более близких к Солнцу, возле Меркурия. В этом случае солнечных батарей потребуется почти в 100 раз меньше. При этом приемные устройства можно вынести с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
Разрабатываются также проекты лунных солнечных электростанций.
К примеру, японская компания Shimizu предложила создать пояс из солнечных батарей, протянутый по всему экватору Луны на 11 тыс. км и шириной 400 км.
Его разместят на обратной стороне спутника Земли, чтобы система постоянно находилась под солнечными лучами. Связать панели можно будет при помощи обычных силовых кабелей или оптических систем. Генерируемое электричество планируется передавать при помощи больших антенн, а получать при помощи специальных ресиверов на Земле.
В теории проект выглядит прекрасно, остается придумать, как доставить сотни тысяч панелей на спутник Земли и там их установить, а так же как доставлять энергию с Луны на нашу планету, не потеряв по пути значительную ее часть: ведь придется преодолеть 364 тыс. км. Так что идеи создания лунных электростанций слишком далеки от реальности и если они и реализуются, то очень нескоро.
Татьяна Громова
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.
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 у нас в Краснодаре - на заводе «Сатурн». Руководство завода пригласило автора этого блога посмотреть на производственный процесс и рассказать о нем у себя в дневнике.
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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%).
6. 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).
7. Электрическое соединение фотоэлементов между собой осуществляется серебряными контактами (их называют шинками) толщиной всего 0,02 мм.
8. Чтобы получить нужное напряжение в сети, вырабатываемое солнечной батареей, фотоэлементы соединяются последовательно. Вот так выглядит секция последовательно соединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей - так правильно).
9. 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).
10. 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.
11. 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.
12. Установка для электронно-лучевой сварки в вакууме с помощью которой изготавливается корпус аккумулятора из тонкого металла.
13. 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.
14. 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 .
15. Проверенные на прочность аккумуляторы заправляют электролитом и водородом, после чего они готовы к работе.
16. 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.
17. 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.
18. Вся космическая техника подвергается испытаниям на механические воздействия с помощью вибрационных стендов, которые имитируют нагрузки при выведении космического аппарата на орбиту.
19. 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.
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%.
| 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.