Солнечные батареи

Солнечная батарея (СБ) - источник электрической энергии в системе энер­гопитания КА, состоящий из полупроводниковых фотоэлектричес­ких преобра­зователей (ФЭП) (рис. 5.14) и несущей конструкции, на которой укрепляются преобразователи. Представляет собой большое количество последовательно-параллельно соединенных ФЭП. Такое соединение обеспечивает необходимые напряжение и силу тока. Обычно ФЭП скрепляют внахлест, что одновременно обеспечивает их последовали др. Разработаны СБ, допускающие многократное охлаждение их до температуры 150 "С без существенного снижения мощности. Продолжительность работы СБ достигает нескольких лет.

СБ применены в качестве основного источника электрической энергии в составе систем электропитания многих КА: "Космос", "Молния", "Метеор", "Протон", "Эксплорер", ТИРОС, "Нимбус", АИС, ОГО, ОСО, ОАО, "Венера", "Марс", "Зонд", "Маринер", "Пионер", "Сервейор"^ "Рейнджер", "Союз", "Салют", "Мир", "Скайлэб", МКС и др.

Стоимость кремниевых ФП достаточно высока: солнечная батарея на на­пряжение 9 В и ток 15 мА стоит 5,95 долл. (44 долл. на 1 Вт мощности). Раз­работана технология изготовления ФП методом вытягивания монокристалла кремния до 30 см в длину, что при ширине I см позволяет получить полезную площадь одного элемента около 25 см^г. Применение таких ФП позволило повы­сить надежность СБ if снизить коммутационные потери за счет использования меньшего числа элементов, а также получить экономический выигрыш по срав­нению с использованием монокристаллов большего диаметра. Эксперименты показали, что кремниевые ФП с переходом обладают гораздо лучшей стойкостью к радиационному облучению, чем ФП с р~п- переходом, которые применялись на большинстве первых американских ИСЗ, Решение о переходе на ФП с д-/>-переходом принято, несмотря на то, что они имеют более низкий к.п.д. и более вы­сокую стоимость.

С целью повышения радиационной стойкости и уменьшения нагрева кремние­вых ФП обычно применялись кварцевые покрытия. Разработаны защитные покрытия из органических полимеров, а также неорганические, отличающиеся повышенной прочностью, лучшей радиационной стойкостью и меньшей стоимостью. Такие по­крытия могут наноситься методом напыления сразу на всю поверхность солнечной батареи. Пленка защитного покрытия, предложенного фирмой "Гофман Электро­нике", имеет толщину 1 мк и полностью защищает ФП от электронов с энергией 1,60-10" Дж и протонов с энергией 0,64-10 Дж.

Ухудшение характеристик ФП под действием радиационного облучения яв­ляется главным препятствием к использованию СБ на КА с длительным сроком ак­тивного существования (табл. 5.8). Ведутся поиски способов уменьшения влияния радиации к методов восстановле­ния прежних характеристик ФП, находившихся поддействием радиаци­онного облучения. Так, фирма "Вестингауз" рекомендует на­гревать ФП до 450°С и выдерживать в течение нескольких минут эту температуру. Нагрев предполагается производитьс помощью солнечных концентрато­ров (линз), которые по командам с Земли будут последовательно фокусировать солнечные лучи на различных участках панелей солнечных батарей.

На основе выпускаемых в настоящее время кремниевых ФП можно соз­дать СБ мощностью около I кВт, рассчитанную на 1...2 года работы. Дальней­шее увеличение мощности батарей приводит к конструктивным трудностям, связанным с большой площадью панелей, сложностью их установки под обте­кателем на РН, развертыванием после выхода на орбиту. Площадь пане­лей СБ, рассчитанной на 40 кВт, должна составлять около 370 м² (0,1 кВт с 1 м ).

Ряду фирм, работающих над вопросами увеличения удельной мощности СБ, удалось достичь обнадеживающих результатов. Так, фирма "Электро - Оптикал Систем" разработала тонкие (0,1 мм) кремниевые ФП с КПД 9 %. Их можно наклеивать на полиамидную пленку, которая до выхода объекта на ор­биту свернута в рулон, а после выхода разворачивается. Использование таких ФП позволит в 1,5 раза уменьшить удельную массу СБ.

Другим путем повышения удельной мощности батарей является при­менение тонкопленочных поликристаллических ФП, позволяющих снизить удельную массу СБ на порядок и больше. Тонкопленочные ФП представляют собой основу из молибденовой или алюминиевой фольги толщиной 25 мк, на которую нанесена пленка фото активного полупро­водникового материала толщиной 18 мк. Тонкая металлическая сетка, образованная методом напыле­ния, является токоотводом от верхнего слоя. На нее сверху наложено защитное покрытие из пластика толщиной в несколько ангстрем. В качестве фото активного материала для тонкопленочных поликристаллов ФП применяются сульфиды, теллуриды и селениды кремния, арсенида и фосфориты галлия и дру­гие материалы. СБ фирмы "Клевайт" с тонкопленочными ФП из сульфида кад­мия на пластиковой основе имеют удельную массу 4,55 кг/кВт при КПД до 8 %. В ближайшее время фирма надеется снизить удельную массу до 2,6 кг/кВт. От­дельные образцы этой фирмы при испытаниях, имитирующих орбиталь­ный полет (давление в барокамере КГ ммрт. ст., чередование свет-тень при изменении температуры от+60 до-100 °С), нормально работали в течение 11 000 термических циклов, что соответствует двум годам работы на орбите. Од­нако пока не удалось достигнуть необходи­мой стабильности свойств отдель­ных ФП. Основная причина их выхода из строя при испытаниях - отслоение металлической сетки-вывода и фото активного металла от пластиковой основы. Лучшие показали имеют ФП с металлической сеткой, нанесенной гальвани­ческим способом. Тонкопленочные ФП из сульфида кадмия фирмы "Харшоу Кемикал" имеют стабильный и достаточно высокий ресурс работы, но их к.п.д. не превышает 5 %. СБ фирмы "Клевайт" с тонкопленочными ФП из суль­фида кадмия имеют отдельную массу 4,55 кг/кВт при КПД 5...6 %.

Образец батареи фирмы RCA с ФП из арсенида галлия имеет удельную массу 3,35 кг/кВт и КПД 5,1 %.

Наибольшая масса, гибкость и хорошая радиационная стойкость тонкоп­леночных поликристаллических ФП позволяют считать их перспективными для создания СБ мощностью в несколько десятков киловатт.

Для повышения удельной мощности СБ могут быть использованы также концентраторы солнечной энергии, увеличивающие интенсивность освещения ФП. Считается, что коэффициент концентрации не должен превышать 2,5, так как иначе произойдет перегрев ФП и вследствие этого снижение их КПД.

В настоящее время СБ являются одними из наиболее надежных и доста­точно отработанных ЭУ. Их ресурс и показатели мощности позволяют пола­гать, что в течение ближайшего десятилетия они будут широко использоваться в качестве энергетических установок на ИСЗ, орбитальных космических стан­циях и автоматических КА.

Дальнейшее совершенствование солнечных батарей идет главным образом в направлении:

- улучшения радиационной стойкости,

- снижения удельной массы,

- повышения к.п.д. и удельной мощности,

- разработки новых материалов для ФП с целью улучшения их
фотоэлектрических свойств.

Зависимость интенсивности солнечного излучения от орбиты планеты:

Планета Интенсивность облучения, кВт.

Меркурий ........................ 11,1

Венера .............................. 2,65

Земля ................................ 1,373

Марс ................................. 0,598

Изменения температуры связаны с отражением солнечного излучения от облачного покрова Земли. Вольтамперные характеристики СБ изменяются в зависимости от температуры.

В таблице 12.1преведена зависимость температуры поверхности солнечной батареи от высоты околоземной орбиты.

Таблица 12.1 - Температура поверхности солнечной батареи в зависимости от высоты околоземной орбиты

Приведенные данные относятся к 1984 г. и по данным НПО "Квант" 1996 г. должны быть скорректированы для фотоэлементов ArGa в 1,5 раза(КПД 15% при 25 °С) и для фотоэлементов Si в 1,3 раза (КПД 13% при 25 °С).

Таблица 12.2 показывает динамику развития СБ.

Таблица 12.2 - Характеристики ФЭП в стадии развития