Размер солнечной батареи мкс

Электроснабжение МКС

Единственный источник электроэнергии для МКС – Солнце. При помощи солнечных батарей, установленных на станции, свет солнца преобразуется в электроэнергию.

Российским сегментом МКС используется беспрерывное напряжение 28 вольт, подобное тому, которое применяется на космических кораблях «Союз» и «Спейс Шаттл». Выработка электроэнергии непосредственно производится при помощи солнечных батарей модулей «Заря» и «Звезда». Помимо этого она передается в российский сегмент от американского посредством преобразователя напряжения ARCU и при помощи преобразователя напряжения RACU в обратном направлении.

Изначально было запланировано, что обеспечение станции электроэнергией будет происходить посредством российского модуля Научно-энергетической платформы. Но вслед за катастрофой шаттла «Колумбия» график полетов шаттлов, а также программа установки станции претерпели изменения. В частности, было решено отказаться от поставки и монтажа Научно-энергетической платформы, в виду чего на сегодняшний день значительное количество электроэнергии генерируется солнечными батареями американского сегмента.

В американском секторе организация солнечных батарей по следующему принципу: благодаря двум складным панелям солнечных батарей образуется крыло солнечной батареи. На ферменных конструкциях МКС расположено четыре пары подобных крыльев. Длина крыла составляет 35 метров, ширина – 11,6 метров, полезная площадь – 298 квадратных метров, а вырабатываемая и суммарная мощность достигает 32,8 кВт.

Первичное постоянное напряжение генерируется солнечными батареями от 115 до 173В. Далее оно модифицируется во вторичное стабилизированное постоянное напряжение размером 124В при помощи блоков DDCU. Как раз оно и является источником питания для электрооборудования американского сегмента станции.

Один оборот вокруг Земли совершается станцией за 90 минут. Около половины этого времени она находится в тени Земли. В это время солнечные батареи нефункциональны, и электроснабжение станции осуществляется посредством буферных никель-водородных аккумуляторных батарей, подзаряжаемых в период нахождения МКС на солнечном свету.

Срок эксплуатации аккумуляторов – 6,5 лет, и в течение работы станции планируется неоднократная их замена. Первая замена уже была осуществлена в июле 2009 года на сегменте Р6 во время полета шаттла «Индевор» STS-127, когда астронавты выходили в открытый космос.

В нормальных условиях в целях увеличения до максимума выработки энергии происходит отслеживание Солнца солнечными батареями американского сегмента. При этом наведение солнечных батарей на Солнце производится посредством приводов «Альфа» и «Бета». В случае нахождения МКС в тени Земли, солнечные батареи переключаются на режим ночного планирования, когда в целях уменьшения сопротивления атмосферы, присутствующей на высоте полета МКС, они поворачиваются краем по направлению движения.

Источник

Журнал «Все о Космосе»

Солнечная батарея (панель)

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 — Солнце). 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 спутник 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 космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, 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 Земли (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%.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей,
достигнутые в лабораторных условиях

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.

Частичное затемнение панели вызывает падение выходного напряжения за счёт потерь в неосвещённом элементе, который начинает выступать в роли паразитной нагрузки. От данного недостатка можно избавиться путём установки байпаса на каждый фотоэлемент панели.

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.

Источник

Электрическая система Международной космической станции — Electrical system of the International Space Station

Электрическая система Международной космической станции является важным ресурсом для Международной космической станции (МКС) , потому что она позволяет экипажу комфортно жить, чтобы безопасно эксплуатировать станцию, а также для выполнения научных экспериментов. Электрическая система МКС использует солнечные элементы для прямого преобразования солнечного света в электричество . Большое количество ячеек собрано в массивы для получения высоких уровней мощности. Этот метод использования солнечной энергии называется фотовольтаикой .

В процессе сбора солнечного света, преобразования его в электричество, управления и распределения этого электричества накапливается избыточное тепло, которое может повредить оборудование космического корабля. Это тепло необходимо устранить для надежной работы космической станции на орбите. В системе питания МКС используются радиаторы для отвода тепла от космического корабля. Радиаторы защищены от солнечного света и ориентированы на холодную пустоту глубокого космоса.

СОДЕРЖАНИЕ

Крыло солнечной батареи

Каждое крыло солнечной батареи МКС (часто сокращенно «SAW») состоит из двух выдвижных «одеял» солнечных элементов с мачтой между ними. Каждое крыло является крупнейшим из когда-либо развернутых в космосе, весит более 2400 фунтов и использует почти 33000 солнечных батарей, каждая из которых имеет площадь 8 см и 4100 диодов. В полностью выдвинутом состоянии каждая из них имеет длину 35 метров (115 футов) и ширину 12 метров (39 футов). Каждая SAW способна генерировать почти 31 киловатт (кВт) мощности постоянного тока. В сложенном состоянии каждое крыло складывается в защитный бокс для солнечных батарей высотой всего 51 сантиметр (20 дюймов) и длиной 4,57 метра (15 футов).

В целом восемь крыльев солнечной батареи могут генерировать около 240 киловатт под прямыми солнечными лучами, или от 84 до 120 киловатт средней мощности (чередование солнечного света и тени).

Солнечные батареи обычно отслеживают Солнце, при этом «альфа- стабилизатор » используется в качестве основного вращения, чтобы следовать за Солнцем, когда космическая станция движется вокруг Земли, а «бета- стабилизатор » используется для регулировки угла орбиты космической станции до эклиптики . В операциях используются несколько различных режимов слежения, от полного слежения за солнцем до режима уменьшения сопротивления (режимы ночного планера и солнечного слайсера ) и до режима максимизации перетаскивания, используемого для снижения высоты.

Со временем фотоэлектрические элементы на крыльях постепенно деградируют и рассчитаны на 15-летний срок службы. Это особенно заметно при запуске первых массивов, с фермами P6 и P4 в 2000 г. ( STS-97 ) и 2006 г. ( STS-115 ).

Компания STS-117 поставила ферму S4 и солнечные батареи в 2007 году.

STS-119 (сборочный полет 15А МКС) доставил ферму S6 вместе с четвертым комплектом солнечных батарей и батарей на станцию ​​в марте 2009 года.

Чтобы увеличить самые старые крылья, НАСА запустило одну пару и намерено запустить еще две пары крупномасштабных версий Roll Out Solar Array на борту трех грузовых запусков SpaceX Dragon 2 с начала июня 2021 года до конца 2022 года, SpaceX CRS-22 , CRS-25 и CRS-26 . Эти группы предназначены для размещения вдоль центральной части крыльев до двух третей их длины. Работы по установке опорных кронштейнов iROSA на балки мачты фермы, удерживающие крылья солнечных батарей, были начаты членами экипажа 64-й экспедиции в конце февраля 2021 года. После того, как первая пара массивов была доставлена ​​в начале июня, 16 июня состоялся выход в открытый космос Шейна Кимбро. и Томас Песке из Expedition 65 разместили один iROSA на силовом канале 2B, и мачта фермы P6 закончилась досрочно из-за технических трудностей с развертыванием массива.

Аккумуляторы

Поскольку станция часто не находится под прямыми солнечными лучами, она полагается на перезаряжаемые литий-ионные батареи (первоначально никель-водородные батареи ) для обеспечения непрерывного питания во время «затмения» части орбиты (35 минут на каждые 90 минут орбиты).

Каждый аккумуляторный блок, расположенный на фермах S4, P4, S6 и P6, состоит из 24 легких литий-ионных аккумуляторных элементов и соответствующего электрического и механического оборудования. Каждая батарея в сборе имеет паспортную емкость 110 Ач (396 000 C ) (первоначально 81 Ач) и 4 кВтч (14 МДж). Эта мощность подается на ISS через BCDU и DCSU соответственно.

Батареи гарантируют, что станция никогда не останется без электричества для поддержания систем жизнеобеспечения и проведения экспериментов. Во время солнечной части орбиты происходит подзарядка аккумуляторов. Никель-водородные аккумуляторы и блоки заряда / разряда аккумуляторов были произведены компанией Space Systems / Loral (SS / L) по контракту с Boeing . Батареи Ni-H2 на ферме P6 были заменены в 2009 и 2010 годах новыми батареями Ni-H2, доставленными миссиями Space Shuttle. Расчетный срок службы никель-водородных батарей составлял 6,5 лет и мог превышать 38 000 циклов заряда / разряда при глубине разряда 35%. Их меняли несколько раз в течение ожидаемого 30-летнего срока службы станции. Каждая батарея имела размеры 40 на 36 на 18 дюймов (102 на 91 на 46 см) и весила 375 фунтов (170 кг).

С 2017 по 2021 год никель-водородные батареи были заменены литий-ионными . 6 января 2017 года, экспедиция 50 членов Шейн Kimbrough и Пегги Уитсон начался процесс преобразования некоторых из самых старых батарей на МКС для новых литий-ионных батарей. Участники экспедиции 64 Виктор Дж. Гловер и Майкл С. Хопкинс завершили кампанию 1 февраля 2021 года. Между двумя технологиями аккумуляторов есть ряд различий. Одно отличие состоит в том, что литий-ионные батареи могут выдерживать удвоенный заряд, поэтому при замене потребовалось только половину меньшего количества литий-ионных батарей. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы меньше старых никель-водородных аккумуляторов. Хотя срок службы литий-ионных аккумуляторов обычно короче, чем у никель-водородных аккумуляторов, так как они не могут выдержать столько циклов зарядки / разрядки, прежде чем претерпят заметную деградацию, литий-ионные аккумуляторы ISS рассчитаны на 60000 циклов и десять лет жизни, что намного больше, чем Расчетный срок службы оригинальных Ni-H2 аккумуляторов составляет 6,5 лет.

Управление питанием и распределение

Подсистема управления и распределения электроэнергии работает при напряжении первичной шины, установленном на V _mp , пиковой мощности солнечных батарей. По состоянию на 30 декабря 2005 г. V _mp составлял 160 вольт постоянного тока . Он может измениться со временем по мере разрушения массивов под действием ионизирующего излучения. Переключатели с микропроцессорным управлением контролируют распределение первичной мощности по станции.

Блоки заряда / разряда батареи (BCDU) регулируют количество заряда, помещаемого в батарею. Каждый BCDU может регулировать ток разряда от двух батарейных ORU (каждый с 38 последовательно соединенными Ni-H ₂ элементами) и может обеспечивать до 6,6 кВт на космическую станцию. Во время инсоляции BCDU обеспечивает ток заряда для аккумуляторов и контролирует степень перезарядки аккумуляторов. Каждый день BCDU и аккумуляторы проходят шестнадцать циклов зарядки / разрядки. Космическая станция имеет 24 БКДУ, каждый весом 100 кг. BCDU предоставляются SS / L

Блок последовательного шунтирования (SSU)

Восемьдесят две отдельные гирлянды солнечных батарей питают последовательный шунтирующий блок (SSU), который обеспечивает грубое регулирование напряжения при желаемом V _mp . SSU применяет «фиктивную» (резистивную) нагрузку, которая увеличивается по мере уменьшения нагрузки станции (и наоборот), поэтому массив работает при постоянном напряжении и нагрузке. SSU предоставляются SS / L.

Преобразование постоянного тока в постоянный

Преобразователи постоянного тока в постоянный обеспечивают питание вторичной системы питания постоянным напряжением 124,5 В, позволяя напряжению первичной шины отслеживать точку пиковой мощности солнечных батарей.

Температурный контроль

Система терморегулирования регулирует температуру основной электроники распределения питания, батарей и связанной с ней управляющей электроники. Подробности об этой подсистеме можно найти в статье « Внешняя система активного терморегулирования» .

От станции к системе передачи энергии шаттла

С 2007 года система передачи энергии от станции к шаттлу (SSPTS; произносится как « косы» ) позволяла пристыкованному космическому шаттлу использовать энергию, обеспечиваемую солнечными батареями Международной космической станции . Использование этой системы сократило использование бортовых энергогенерирующих топливных элементов шаттла , что позволило ему оставаться в стыковке с космической станцией в течение дополнительных четырех дней.

SSPTS был обновлением шаттла, который заменил блок преобразователя мощности сборки (APCU) новым устройством, называемым блоком передачи мощности (PTU). APCU был способен преобразовывать питание главной шины челнока 28 В постоянного тока в 124 В постоянного тока, совместимое с системой питания ISS 120 В постоянного тока. Это было использовано при первоначальном строительстве космической станции для увеличения мощности российского служебного модуля « Звезда ». PTU добавляет к этому возможность преобразовывать 120 В постоянного тока, подаваемое с МКС, в питание главной шины орбитального аппарата 28 В постоянного тока. Он способен передавать до 8 кВт энергии с космической станции на орбитальный аппарат. Благодаря этой модернизации и шаттл, и МКС могли использовать системы питания друг друга, когда это было необходимо, хотя МКС больше никогда не требовалось использовать системы питания орбитального корабля.

В декабре 2006 года, во время миссии STS-116 , PMA-2 (тогда находившийся в переднем конце модуля Destiny ) был изменен, чтобы позволить использование SSPTS. Первой миссией, которая фактически использовала эту систему, была STS-118 с космическим шаттлом Endeavour .

Только Discovery и Endeavour были оснащены SSPTS. Atlantis был единственным уцелевшим шаттлом, не оснащенным SSPTS, поэтому он мог выполнять только более короткие миссии, чем остальной флот.

Источник