Кпд солнечных батарей мкс

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

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