Солнечные панели для мкс

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

NASA дополнит МКС солнечными батареями-свитками

Прототип сворачиваемой батареи ROSA

NASA установит на МКС дополнительные солнечные панели поверх имеющихся. Они частично перекроют старые, которые со временем деградировали, но за счет высокой эффективности увеличат располагаемую электрическую мощность с 160 до 215 киловатт. Новые батареи изготовлены из гибкой пленки, которую свернут в свиток для удобства транспортировки.

МКС получает электроэнергию от четырех пар солнечных батарей, которые установили на станцию с 2000 по 2009 годы. Проблема в том, что они деградируют со временем, отчего падает вырабатываемая мощность, которая к настоящему моменту равна 160 киловаттам в сумме со всех панелей. Это предусматривалось первоначальным проектом, поскольку считалось, что станция должна проработать на орбите около 15-20 лет, однако теперь срок работы станции продлен и ведутся переговоры о его увеличении до 2030 года.

Чтобы сохранить работоспособность станции, а также добавить возможность установки более мощного научного оборудования, NASA доставит на орбиту новые солнечные батареи ROSA (Roll Out Solar Array). Они отличаются от старых тем, что изготовлены из мягкой пленки, которую можно свернуть в компактный свиток, что также позволяет избавиться от тяжелых рам и шарниров. Опытную версию таких панелей установили на МКС в 2017 году, серийные версии ROSA будут увеличенной копией прототипа. Первую пару батарей доставят до конца этого года кораблем Dragon, примерные даты запуска оставшихся двух агентство пока не называет.

Рендер станции с тремя парами новых батарей

Новые панели разместят вместе со старыми, но поверх них, частично затенив. Инженеры считают, что это не проблема, поскольку новые фотоэлементы существенно производительнее старых, а установка их в другом месте потребует модификации конструкции всей станции. Ожидается, что итоговая суммарная мощность составит 215 киловатт, из которых 90 будут приходиться на незатененные старые батареи.

Гибкие солнечные панели предоставляют множество новых возможностей: например, весной французские инженеры показали тент-чехол для автомобиля, который защищает автомобиль от перегрева на солнце на стоянке, и заодно вырабатывает электроэнергию. Другое перспективное направление развития солнечных батарей — делать их прозрачными, и, например, вставлять в окна вместо стекол. Недавно КПД таких батарей превысил 10 процентов.

Источник

Астронавты установили на МКС новую солнечную панель

НЬЮ-ЙОРК, 16 июня. /ТАСС/. Американский и французский астронавты Шейн Кимброу и Тома Песке, входящие в состав экипажа Международной космической станции (МКС), завершили в среду выход в открытый космос, установив новую панель солнечной батареи. Но им не хватило запланированного времени для того, чтобы развернуть ее. Трансляция велась на сайте Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA).

С того момента, как Кимброу и Песке в 15:11 мск выбрались наружу из шлюза Quest, прошло более семи часов вместо намеченных шести с половиной. Астронавты смонтировали на ферме P6 одну из двух панелей батарей iROSA, которые 5 июня доставил на станцию грузовой корабль Dragon компании SpaceX. Перемещать панель массой почти 340 кг им помогала с борта МКС астронавт NASA Меган Макартур, управлявшая рукой-манипулятором Canadarm-2.

Однако не обошлось без технического сбоя: на третьем часу работы у Кимброу внезапно погас дисплей датчика, показывающего состояние систем его скафандра. Астронавту пришлось вернуться в шлюз и перезагрузить устройство, затем он снова присоединился к Песке. Как отметили представители NASA в ходе трансляции, «жизни Кимброу ничто не угрожало». Тем не менее время было потеряно, к тому же возникли проблемы с одним из запорных механизмов панели, и теперь специалисты NASA должны определить, когда завершить процесс ее развертывания.

Установка второй батареи запланирована на 20 июня, осуществлять ее также будут Кимброу и Песке. Ранее космическое ведомство сообщило, что монтаж и развертывание в общей сложности шести панелей iROSA, что предполагается завершить в 2022 году, позволит повысить мощность энергосистемы станции со 160 до 215 киловатт.

У Кимброу это был седьмой выход в космос в его карьере астронавта, у Песке — третий. Они уже дважды — в январе и марте 2017 года — вместе работали на внешней поверхности МКС, заменяя водородно-никелевые батареи на новые литий-ионные.

По данным NASA, нынешний выход в космос стал 239-м по счету, осуществленным с целью монтажных и ремонтных работ на станции. На МКС вахту сейчас также несут россияне Олег Новицкий, Петр Дубров, американец Марк Ванде Хай и астронавт Японского агентства аэрокосмических исследований Акихико Хосидэ.

Источник

На МКС установили, но не смогли развернуть новую гибкую солнечную панель из-за проблем с крепежным механизмом

Астронавты Международной космической станции Шейн Кимбро от НАСА и Томас Песке от Европейского космического агентства не смоли развернуть новую гибкую солнечную панель на её поверхности. Во время монтажных работ возникла проблема с крепежным механизмом панели, решением которой теперь занимаются специалисты на Земле.

Выход астронавтов в открытый космос для проведения работ начался 08:11 по времени Восточного побережья США (в 15:11 МСК) 16 июня и продлился более семи часов и 15 минут в общей сложности. На третьем часу работ на скафандре Кимбро возникли неполадки в работе дисплея и системы охлаждения, из-за чего американскому астронавту пришлось вернуться в шлюзовой отсек и отложить выход в вакуум. В результате он всё же вышел в открытый космос, однако из-за этих проблем было потеряно около часа.

В конечном итоге проблемы возникли и с крепежным механизмом самой панели, и астронавтам не хватило времени, чтобы самостоятельно решить их. Тем не менее, они смогли установить панель в необходимое положение.

Две новые панели Roll Out Solar Array (iROSA — версия панелей для МКС имеет приставку i в аббревиатуре) доставили 5 июня на станцию грузовым космическим кораблем Cargo Dragon американской компании SpaceX. Благодаря гибкой конструкции, позволяющей скручивать панель в компактный цилиндр, они на 20% легче и в четыре раза меньше по объёму, чем старые солнечные батареи. Именно из-за этой конструкции и возникли проблемы — на орбиту панель была доставлена в скрученном состоянии, и её было необходимо развернуть.

Установка и развёртывание второй батареи iROSA запланировано на 20 июня, заниматься этим вновь будут Кимбро и Песке.

В НАСА пояснили, что нынешние восемь солнечных панелей МКС пока функционируют нормально, однако их срок службы был рассчитан на 15 лет, а с момента установки первой панели в декабре 2000 года прошло уже 20 лет, и поэтому они деградируют. Всего на станции планируется установить шесть панелей нового типа, работы по их установке должны быть завершены в 2022 году. Это позволит увеличить мощность энергосистемы станции со 160 до 215 киловатт. Доставлять следующие батареи будут также на корабле Cargo Dragon.

Источник