Расчет солнечных батарей для космического аппарата

Расчет параметров солнечных батарей

Для расчетов основных параметров СБ влияющих на конструкцию КА, его технических характеристик воспользуемся следующими формулами [«Конструирование автоматических космических аппаратов»авторы: Д.И. Козлов, Г.Н. Аншаков, В.Ф. Агарков, Ю.Г. Антонов §7.5]:

Расчет параметров СБ сводится к определению ее площади и массы.

Расчет мощности СБ производится по формуле:

(6)

где — мощность СБ; Р_н — среднесуточная мощность нагрузки (без учета собственных нужд СЭП); — время ориентации СБ на Солнце за виток; t_T— время, в течение которого СБ не освещена; — КПД регулятора избытка мощности СБ, равный 0,85; — КПД регулятора разряда БН, равный 0,85; _р.₃ — КПД регулятора заряда БН, равный 0,9; — КПД аккумуляторных батарей БН, равный 0,8.

Площадь солнечной батареи рассчитывается по формуле:

(7)

где – удельная мощность СБ, принимаемая:

120 Вт/м 2 при = 60 °С и 85 Вт/м 2 при = 110 °С для материала ФЭП КСП;

140 Вт/м 2 при = 60 °С и 100 Вт/м 2 при = 110 °С для материала ФЭП;

170 Вт/м 2 при = 60 °С и 160 Вт/м 2 при = 110 °С для материала ФЭП Ga – As; — коэффициент запаса, учитывающий деградацию ФЭП из-за радиации, равный 1,2 для времени работы два-три года и 1,4 для времени работы пять лет;

– коэффициент заполнения, вычисляемый по формуле 1,12; – КПД СБ = 0,97.

Масса СБ определяется исходя из удельных параметров. В имею­щихся в настоящее время конструкциях СБ удельная масса составля­ет = 2,77 кг/м 2 для кремниевых и = 4,5 кг/м 2 для арсенидгаллиевых ФЭП.

Масса СБ рассчитывается по формуле:

(8)

Для начала расчёта СЭП необходимо выбрать солнечные батареи. При рассмотрении различных СБ выбор пал на следующие: солнечные батареи организации ОАО «Сатурн» на основе GaAs фотопреобразователей со следующими характеристиками, информация взята с сайта [http://www.saturn.kuban.ru/solar_battery.html]:

Параметр СБ	СБ на основе GaAs ФП
Срок активного существования, лет
КПД при температуре 28 °C, %
Удельная мощность, Вт/м 2
Максимальная мощность, Вт/м 2
Удельная масса, кг/м 2	1.6
Толщина ФЭП, мкм	150 ± 20

Также для расчета понадобиться знать период обращения ИСЗ на низкой околоземной орбите, информация взята с сайта [https://ru.wikipedia.org/wiki/Низкая_околоземная_орбита]:

в диапазоне от 160 км период обращения около 88 минут;

до 2000 км период около 127 минут.

Для расчета возьмем усредненное значение – около 100 мин. При этом время освещенности солнечных панелей КА на орбите больше (около 60 мин), чем время нахождения их в тени около 40 мин.

Мощность нагрузки равна сумме требуемой мощности двигательной установки, целевой аппаратуры, мощности заряда и равна 220 Вт (значение взято с избытком 25 Вт).

Подставляя все известные значения в формулу [6], получаем:

,

после проведения расчетов, получим

.

Для определения площади панели СБ примем материал ФЭП Ga–Asпри рабочей температуре = 60 °С, работе спутника 2-3 года и воспульзуемся формулой [7]:

,

подставляя исходные данные, получим:

,

после проведения расчетов, получим

,

но с учетом не частого заряда аккумуляторной батареи, использования современных технологий в разработке других систем, а также с учетом того, что мощность нагрузки была взята с запасом около 25 Вт, возможно сократить площадь СБ до 3,6 м 2 .

Определим массу СБ для арсенидгаллиевых ФЭПприменяя формулу[8]:

,

подставляя исходные данные, получим:

,

после проведения расчетов, получим

.

Итого, можно сделать вывод о том, что на технические характеристики и возможности КА в значительной мере влияет система электропитания. Для увеличения эффективности СЭП нужно стремиться к уменьшению массы энергопотребляемой аппаратуры за счёт применения более эффективных солнечных и аккумуляторных батарей. Необходимо искать солнечные и аккумуляторные батареи с более высоким КПД и меньшими массовыми характеристиками. Также как видно вес АБ и СБ, сильно влияет на вес КА в общем, чем остальные системы, масса полной СЭП в нашем случае примерно 6-7 кг.

Из анализа параметров различных типов аккумуляторных и солнечных батарей можно сделать вывод, о стремлении уменьшения общей массы системы электропитания космического аппарата за счет уменьшения массы СБ и АБ, увеличения КПД и срока службы при нахождении новых конструктивных и технических решений в плане усовершенствования элементов системы электропитания и поиск максимально эффективных и надежных материалов.

В ходе выполнения расчетной части были получены следующие параметры: время разряда и заряда, емкости разряда, напряжение заряда, саморазряд, а также удельная энергия химического источника аккумуляторных батарей,мощность, площадь панелей и масса солнечных батарей.

Также были рассмотрены различные типы аккумуляторных батарей в зависимости от химических источников тока, а также солнечных батарей в зависимости от используемых материалов в качестве фотоэлектрического преобразователя, были приведены их модификации, особенности устройства и принципы работы. Установлены основные параметры солнечных и аккумуляторных батарей, по параметрам были определенны технические возможности типов солнечных и аккумуляторных батарей, непосредственно влияющие на технические характеристики космических аппаратов.

На сегодняшний день широкое распространение получили солнечные батареи использующие в качестве материала для фотоэлектрических преобразователей арсенидгаллия из-за высокой удельной мощности выхода, также наиболее перспективным считается никель-водородные аккумуляторные батареи, которые превосходят по многим показателям кадмиево-никелевые и серебрено-цинковые аккумуляторы.

Список использованных источников

1 Молдабеков М.М., Ахмедов Д.Ш., Алипбаев К.А., Елубаев С.А., Сухенко А.С. Об участии Казахстана в международном университетском проекте создания группировки наноспутников.// Материалы международной конференции «Космос на благо человечества – взгляд в будущее», г. Астана, 6-7 января 2011 г. – с. 17-19.

2 Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций на пути к информационному обществу. Развитие спутниковых телекоммуникационных систем.

3 Талызин Н.В. «Спутники связи — Земля и Вселенная», 1977

4Конструктирование автоматических космических аппаратов // Д.И. Козлов, Г.П. Аншаков, В.Ф. Агарков и др.: Под ред. Д.И. Козлова – М.: Машиностроение. 1996-448 с., ил.

5 Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы). Учебник для технических вузов // В.П. Мишин, В.К. Безвербатый, Б.М. Панкратов и др.: Под ред. В.П. Мишина. – М.: Машиностроение. 1985-360 с., ил.

6 Туманов А.В., Зеренцов В.В., Щеглов Г.А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов: учеб.пособие – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010-344 с.

7 Инженерный справочник по космической технике // А.А. Алатырцев, А.И. Алексеев, Ю.Н. Богданов и др.: Под ред. А.В. Солодов – М.: Военное издательство министерства обороны СССР, 1969-350 с.

8Никольский В.В. Основы проектирования автоматических космических аппаратов. Учебник. С-Пб.: БГТУ «Военмех», 2007. 230 с.

11Интернет-ресурс Берлинского технического университета:http://www.raumfahrttechnik.tu-berlin.de

11 Интернет-ресурс ОАО «Сатурн»: http://www.saturn.kuban.ru/

12 Интернет-ресурс Википедия. Информация о спутнике «Юбилейный»: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%28%D0%9A%D0%90%29

Спецификации (перечень сокращений, условных обозначений и т.д.)

Источник

В чем преимущества использования солнечных батарей в космосе

Как только человек научился выводить на орбиту космические аппараты, встал вопрос о возможности их долговременного использования. Корректировка орбиты, передача данных, снабжение электричеством спутников и жилых станций требовало наличия энергии. А получать ее круглосуточно за пределами земли можно было только от солнца. Так в космосе появились солнечные батареи, первые из которых были созданы почти одновременно с началом освоения околоземного пространства.

Создание и использование фотоэлектрических панелей для внеземных аппаратов

«Пионерами» разработки фотовольтаики данного типа стали инженеры СССР. Для космических кораблей «Восход», «Восток» и орбитальных станций «Салют» были использованы гелиопанели, созданные группой физика Н.С.Лидоренко. Он же произвел точные математические расчеты эффективности солнечных батарей в космосе для технологий того времени.

На тот момент КПД ячеек на базе кремния едва достигал 8-10%, однако конструкция модулей отличалась высокой надежностью. Основные идеи и технологические решения советских ученых лежат в основе и нынешней космической фотовольтаики.

За прошедшие с той поры 60 лет подобными панелями были оснащены:

• более 250 межпланетных станций (единственное исключение – 4 аппарата, запущенных в дальний космос и получающих энергию от радиоактивных элементов);
• свыше 3300 спутников, включая быстро увеличивающуюся группу «StarLink» Илона Маска;
• 72 лунохода, длительное функционирование которых требовало постоянного притока энергии;
• 14 марсоходов, включая американский и китайский аппараты, направленные к Марсу в 2020 году.

Достоинства и недостатки солнечных батарей в космосе

Как и любое другое высокотехнологичное оборудование, фотоэлектрические панели для внеземного пространства обладают достоинствами и недостатками.

• за пределами земли нет атмосферы, дождей и туч, поток солнечного излучения постоянен, а потому панели генерируют ток круглосуточно (исключение – аппараты на Луне и Марсе);
• инсоляция в безвоздушном пространстве значительно выше, что увеличивает эффективность использования солнечных батарей в космосе;
• у космической фотовольтаики КПД достигает 40-45%.

• из-за огромных температурных перепадов, микро метеоритов и жесткого космического излучения панели быстрее деградируют;
• солнечные батареи для космоса обходятся в немалые суммы сами по себе, а их доставка на орбиту требует дополнительные 2-2,5 тысячи долларов за каждый килограмм массы;
• неблагоприятные условия функционирование вынуждают использовать многоуровневую защиту всех элементов модулей, что делает их еще дороже и массивнее.

Тем не менее, достойной альтернативы гелио панелям за пределами планеты для выполнения тех же задач пока не существует.

Космические СЭС будущего

Еще одной невероятно перспективной сферой применения солнечных батарей в космосе является создание в ближайшем будущем масштабных орбитальных электростанций. Причина такого интереса к данному проекту в следующем:

1. Мощность потока излучения нашего светила, направленного в сторону земли, в тысячи раз превосходит всю потребляемую человечеством энергию.
2. Размещение любого количества гелио панелей на орбите ничем не ограничено. Теоретически из них можно образовать огромные поля площадью с миллионы квадратных километров.
3. Генерация энергии будет происходить в режиме 365/24/7, с возможностью передачи ее на землю по микроволновому лучу.

В настоящий момент единственным препятствием реализации такого проекта является его запредельная стоимость. Однако в будущем, с появлением технологий вроде «космического лифта», вывод на орбиту грузов подешевеет примерно в 1000 раз. И тогда создание подобных «СЭС будущего» может превратиться в реальность.

Какие солнечные батареи в космосе обеспечивают наибольшую эффективность?

Изначально космические панели создавались на базе монокристаллического кремния. Помимо низкой производительности, они имели и ряд других недостатков.

Сегодня в фотовольтаике для внеземного пространства используются исключительно тонкопленочные технологии. Основой ячеек являются композиты редкоземельных элементов типа CIGS, представляющие собой чередующиеся слои сульфидов галлия, индия и прочих редких металлов.

Это позволяет кардинально повысить поглощение фотонов разной длины волны, что увеличивает КПД и долговечность системы в несколько раз.

Такие солнечные батареи обходятся дороже, но в космической промышленности цена играет далеко не самую важную роль.

Источник