На днях в Колорадо прошла конференция «Новое поколение суборбитальных исследователей» , на которой обсуждались, в частности, проекты строительства космических солнечных станций. И если раньше подобные идеи никто всерьез не воспринимал, то сейчас они действительно близки к реализации.

Так, Конгресс США готовит план постепенного перехода Америки от ископаемого топлива на космическую энергетику. За внедрение проекта будет отвечать специально созданный департамент космоса, активную роль в его работе будут играть NASA, министерство энергетики и другие организации.

До октября нынешнего года министерство юстиции должно представить Конгрессу все необходимые изменения и дополнения к действующему федеральному законодательству, чтобы начать строительство космических солнечных электростанций. В рамках программы на начальном этапе планируется разработать системы ядерных космических двигателей, чтобы применять корабли многоразового использования для космической логистики и строительства гелиоустановок на орбите.

В активной разработке также технологии, позволяющие преобразовать солнечный свет в электричество и телепортировать его на Землю.

В частности, специалисты Калифорнийского технологического института предлагают освещать планету с помощью орбитальных «ковров-самолетов». Это системы из 2 500 панелей толщиной 25 мм и длиной в 2/3 футбольного поля. Элементы такой станции будут доставлять на орбиту ракеты вроде Space Launch System — американской сверхтяжелой ракеты-носителя, разрабатываемой NASA. Космическая электростанция создается в рамках SSPI (Space Solar Power Initiative) — партнерского проекта Калифорнийского технологического университета и компании Northrup Grumman. Последняя инвестировала $17,5 млн, чтобы в течение предстоящих трех лет разработать основные компоненты системы. Инициативу также поддержали исследователи в лаборатории Jet Propulsion в NASA.

По словам профессора Калифорнийского технологического университета Гарри Этуотера , возглавившего Space Solar Power Initiative, «ковры-самолеты» преобразуют солнечную энергию в радиоволны и отправляют их на землю. Энергия будет передаваться по принципу фазированной решетки, которая используется в радарных системах. Это позволит создавать поток, движущийся в любом направлении.

Солнечные панели состоят из плиток, размером 10х10 см и весом около 0,8 г, что обеспечит сравнительно невысокую стоимость запуска конструкции. Каждая плитка станет передавать преобразованную энергию автономно и если одна из них выйдет из строя, остальные будут продолжать работать. Потеря нескольких элементов из-за солнечных вспышек или мелких метеоритов не нанесет вреда электростанции. По расчетам ученых, при массовом производстве стоимость электричества от такого источника будет меньше, чем при использовании угля или природного газа.

Процент наземных солнечных установок в общем балансе энергообеспечения многих стран мира становится все выше. Но возможности таких электростанций ограничены: по ночам и при сильной облачности солнечные батареи утрачивают способность вырабатывать электричество. Поэтому идеальный вариант — разместить гелиоэлектростанции на орбите, где день не сменяется ночью, а облака не создают преград между Солнцем и панелями. Главным преимуществом постройки электростанции в космосе является ее потенциальная эффективность. Солнечные батареи, расположенные в космосе, могут генерировать энергии в десять раз больше батарей, размещенных на поверхности Земли.

Идея орбитальных электростанций разрабатывалась давно, ученые из NASA и Пентагона занимаются подобными исследованиями еще с 60-х годов. Ранее воплощение подобных проектов тормозила высокая стоимость транспортировки, но с развитием технологий космические электростанции могут в обозримом будущем стать реальностью.

Уже есть несколько интересных проектов по строительству солнечных установок на орбите. Кроме Space Solar Power Initiative, американцы разрабатывают орбитальную солнечную панель, которая будет поглощать солнечное излучение и передавать электронные пучки с помощью радиоволн на земной ресивер. Авторами разработки стали специалисты из научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Они построили компактный солнечный модуль, на одной стороне которого оборудована фотовольтаическая панель. Внутри панели установлена электроника, преобразующая прямой ток в радиочастоту для передачи сигнала, другая сторона поддерживает антенну для передачи электронных пучков на Землю.

По словам ведущего автора разработки Поля Джаффе, чем ниже частота электронного пучка, несущего энергию, тем более надежной будет ее передача в плохую погоду. А при частоте 2.45 ГГц, можно получать энергию даже в сезон дождей. Солнечный ресивер обеспечит энергией все военные операции, о дизельных генераторах можно будет навсегда забыть.

США не единственная страна, которая планирует получать электроэнергию из космоса. Жесткая борьба за традиционные энергетические ресурсы заставила многие государства искать альтернативные источники энергии.

Японское агентство по освоению космоса JAXA разработало для установки на орбите Земли фотоэлектрическую платформу. Собранная с помощью установки солнечная энергия станет поступать на приемные станции Земли и преобразовываясь в электричество. Сбор солнечной энергии будет вестись на высоте 36 тыс. км.

Такая система, состоящая из серии наземных и орбитальных станций, должна начать работать уже в 2030 г., ее общая мощность составит 1 ГВт, что сопоставимо со стандартной атомной электростанцией. Для этого в Японии планируется построить искусственный остров длиной 3 км, на котором развернут сеть из 5 млрд антенн для преобразования в электричество радиоволн сверхвысоких частот. Возглавивший разработку научный сотрудник JAXA Сусуми Сасаки уверен, что размещение солнечных аккумуляторов в космосе приведет к революции в энергетике, позволив со временем полностью отказаться от традиционных источников энергии.

Аналогичные планы есть и у Китая, который построит на орбите Земли солнечную электростанцию размером больше, чем Международная космическая станция. Общая площадь солнечных панелей установки составит 5-6 тыс. кв. км. Согласно расчетам экспертов такая станция станет собирать солнечные лучи 99% времени, причем космические гелиопанели смогут генерировать в 10 раз больше электричества на единицу площади, чем наземные аналоги. Предполагается, что для передачи на наземный коллектор вырабатываемая электроэнергия будет преобразовываться в микроволны или лазерный луч. Начало строительства запланировано на 2030 г., стоимость проекта составит около $1 трлн.

Мировые инженеры оценивают возможности строительства солнечных космических электростанций не только на орбите, но и в областях, более близких к Солнцу, возле Меркурия. В этом случае солнечных батарей потребуется почти в 100 раз меньше. При этом приемные устройства можно вынести с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить эффективную передачу энергии в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

Разрабатываются также проекты лунных солнечных электростанций.

К примеру, японская компания Shimizu предложила создать пояс из солнечных батарей, протянутый по всему экватору Луны на 11 тыс. км и шириной 400 км.

Его разместят на обратной стороне спутника Земли, чтобы система постоянно находилась под солнечными лучами. Связать панели можно будет при помощи обычных силовых кабелей или оптических систем. Генерируемое электричество планируется передавать при помощи больших антенн, а получать при помощи специальных ресиверов на Земле.

В теории проект выглядит прекрасно, остается придумать, как доставить сотни тысяч панелей на спутник Земли и там их установить, а так же как доставлять энергию с Луны на нашу планету, не потеряв по пути значительную ее часть: ведь придется преодолеть 364 тыс. км. Так что идеи создания лунных электростанций слишком далеки от реальности и если они и реализуются, то очень нескоро.

Татьяна Громова

Аккумуляторы и солнечные батареи,солнечные батареи, альтернативная энергия, энергия солнца

На первых спутниках Земли аппаратура потребляла относительно небольшие мощности тока и время работы ее было очень непродолжительным. Поэтому в качестве первых космических источников энергии успешно применялись обыкновенные аккумуляторы .

Как известно, на самолете или автомобиле аккумулятор является вспомогательным источником тока и работает совместно с электромашинным генератором, от которого периодически подзаряжается.

Основными достоинствами аккумуляторов являются их высокая надежность и отличные эксплуатационные качества. Существенный недостаток аккумуляторных батарей заключается в большом весе при малой энергоемкости. Например, серебряно-цинковая батарея при емкости 300 а-ч весит около 100 кг . Это означает, что при мощности тока 260 вт (нормальное потребление на обитаемом спутнике «Меркурий») такая батарея будет работать менее двух суток. Удельный вес батареи, характеризующий весовое совершенство источника тока, составит около 450 кг/квт.

Поэтому аккумулятор как автономный источник тока применялся в космосе до сих пор лишь при небольших потребляемых мощностях (до 100 вт) при сроке службы несколько десятков часов.

Для больших автоматических спутников Земли, насыщенных разнообразным оборудованием, потребовались более мощные и легкие источники тока с весьма продолжительным сроком действия — до нескольких недель и даже месяцев.

Такими источниками тока явились чисто космические генераторы — полупроводниковые фотоэлектрические элементы, работающие на принципе преобразования световой энергии солнечного излучения непосредственно в электричество. Эти генераторы называют солнечными батареями .

Мы уже говорили о мощности теплового излучения Солнца. Напомним, что за пределами земной атмосферы интенсивность солнечной радиации довольно значительна: поток энергии, падающей на поверхность перпендикулярную солнечным лучам, составляет 1340 вт на 1 м г. Эту энергию, а вернее, способность солнечной радиации создавать фотоэлектрические эффекты и используют в солнечных батареях. Принцип действия кремниевой солнечной батареи показан на рис. 30.

Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний. Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора. После облучения такой «вафли» солнечными лучами между слоями возникает поток электронов и образуется разность потенциалов, а во внешней цепи, соединяющей слои, появляется электрический ток.

Толщина кремниевого слоя требуется незначительная, но из-за несовершенства технологии она обычно бывает от 0,5 до 1 мм, хотя в создании тока принимает участие лишь около 2% толщины этого слоя. Поверхность одного элемента солнечной батареи по технологическим причинам получается очень небольшой, что требует последовательного соединения в цепь большого числа элементов.

Кремниевая солнечная батарея дает ток лишь тогда, когда на ее поверхность падают лучи Солнца, причем максимальный съем тока будет при перпендикулярном расположении плоскости батареи по отношению к солнечным лучам. Это означает, что при движении космического корабля или ОКС по орбите необходима постоянная ориентация батарей на Солнце. Батареи не будут давать тока в тени, поэтому их необходимо применять в сочетании с другим источником тока, например с аккумулятором. Последний будет служить не только накопителем, но и демпфером возможных колебаний в величине потребной энергии.

К.п.д. солнечных батарей невелик, он не превышает пока 11-13%. Это значит, что с 1 м 2 современных солнечных батарей снимается, мощность около 100-130 вт. Правда, есть возможности увеличения к.п.д. солнечных батарей (теоретически до 25%) за счет совершенствования их конструкции и улучшения качества полупроводникового слоя. Предлагается, например, накладывать две или несколько батарей одну на другую так, чтобы нижняя поверхность использовала ту часть спектра солнечной энергии, которую пропускает, не поглощая, верхний слой.

К.п.д. батареи зависит от температуры поверхности полупроводникового слоя. Максимальный к. п. д. достигается при 25°С, а при увеличении температуры до 300С к.п.д. уменьшается почти вдвое. Солнечные батареи выгодно применять, так же как аккумуляторы, для небольших потребляемых мощностей тока из-за большой площади их поверхности и высокого удельного веса. Для получения, например, мощности 3 квт требуется батарея, состоящая из 100 000 элементов с общим весом около 300 кг, т.е. при удельном весе 100 кг/квт. Такие батареи займут площадь более 30 м 2 .

Тем не менее солнечные батареи прекрасно зарекомендовали себя в космосе как достаточно надежный и стабильный источник энергии, способный работать очень длительное время.

Главную опасность для солнечных батарей в космосе представляют космическая радиация и метеорная пыль, вызывающие эрозию поверхности кремниевых элементов и ограничивающие срок службы батарей.

Для небольших обитаемых станций этот источник тока, видимо, будет оставаться единственно приемлемым и достаточно эффективным, но крупные ОКС потребуют иных источников энергии, более мощных и с меньшим удельным весом. При этом необходимо учесть трудности получения с помощью солнечных батарей переменного тока, который потребуется для больших научных космических лабораторий.

В 1945 году были получены данные разведки об использовании в армии США радиопереговорных устройств. Об этом было доложено И.В. Сталину, который незамедлительно организовал выпуск постановления об оснащении Советской армии средствами радиосвязи. Был создан Элементный электро-гальванический институт, впоследствии названный "Квант". За короткое время коллективу института удалось создать широкую серию источников тока, необходимых для средств радиотехнической связи.

Николай Степанович Лидоренко возглавлял Научно-производственное предприятие (НПП) "Квант" с 1950 по 1984 годы.

С 1950 года институт занимался созданием электрогенерирующих систем для проекта "Беркут". Суть проекта состояла в создании системы противоракетной обороны Москвы с использованием зенитных ракет. Н.С. Лидоренко был вызван в Третье главное управление при Совете Министров, и ему было предложено возглавить работы по данной тематике, в то время секретной. Необходимо было создать систему обеспечения электроэнергией зенитной установки и самой ракеты в полете. Использование генерирующих устройств на основе обычных кислотных электролитов в ракете было невозможно. Н.С. Лидоренко поставил задачу проработать источники тока с солевыми (не водосодержащими) электролитами. Соль как электролит упаковывалась в сухом виде. Во время пуска ракеты внутри аккумулятора в нужный момент срабатывал пиропатрон, тепло расплавляло соль, и только после этого вырабатывался электрический ток. Этот принцип был использован в системе С-25.

В 1950 году к Н.С. Лидоренко обратился Сергей Павлович Королев, работавший над ракетой Р-2. Полет многоступенчатой ракеты превращался в сложный технологический процесс. Коллективом, руководимым Н.С. Лидоренко, были создны автономные системы энергообеспечения ракеты Р-2, а впоследствии, и для ракеты следующего поколения Р-5. Требовались источники питания большой мощности: необходимо было обеспечить питанием не только электросхемы самой ракеты, но и ядерные заряды. Для этих целей предполагалось использовать тепловые батареи.

В сентябре 1955 года было начато строительство атомной подводной лодки К-3 "Ленинский комсомол". Это был вынужденный ответ на введение в строй в январе 1955 американской атомной подводной лодки "Наутилус". Одним из самых уязвимых звеньев оказались аккумуляторы. В качестве источников ток Н.С. Лидоренко предложил использовать элементы на основе серебра и цинка. Энергоемкость аккумулятора была увеличена в 5 раз, так что устройства способны были давать порядка 40000 ампер/часов, с 1 млн Дж в пучке. Уже через два года "Ленинский комсомол" вышел на боевое дежурство. Были продемонстрированы надежность и эффективность созданных под руководством Н.С. Лидоренко аккумуляторных устройств, которые оказались в 3 раза мощнее их американского аналога.

Следующим этапом деятельности Н.С. Лидоренко была разработка электрических батарей для торпед. Сложность состояла в необходимости самостоятельных источников питания при малом объеме, однако она была успешно преодолена.

Особое место занимают работы над созданием знаменитой Королёвской "семерки" - ракеты Р-7. Исходным пунктом в проведении масштабных работ по ракетной тематике было Постановление Совета Министров СССР от 13 мая 1946 года, подписанное И.В. Сталиным. В наше время некоторые журналисты тенденциозно пытаются объяснить то внимание, которое уделяло руководство нашей страны космическим проектам, в первую очередь военными интересами. Это далеко не так, о чем свидетельствуют имеющиеся документальные материалы того времени. Хотя, безусловно, бывали и исключения. Так, Н.С. Хрущев несколько раз с недоверием читал докладные записки С.П. Королёва, но вынужден был отнестись к проблеме серьезно только после сообщения Председателя КГБ о неудачном запуске американской ракеты "Ред Стоун", из которого следовало, что американская машина способна вывести на орбиту спутник размером примерно с апельсин. Но для самого Королёва гораздо более существенно было то, что ракета Р-7 способна была лететь в Космос.

4 октября 1957 года был произведен успешный запуск Первого в мире искусственного спутника Земли. Автономная системы энергопитания спутника была разработана Н.С. Лидоренко.

Второй советский спутник был запущен с собакой Лайкой на борту. Системы, созданные под руководством Н.С. Лидоренко, обеспечивали жизнедеятельность на спутнике с множеством источника тока различного назначения и конструкции.

В этот период Н.С. Лидоренко пришел к пониманию возможности использования в то время нового, бесконечного источника питания - Солнечного света. Солнечная энергия преобразовывалась в электрическую с помощью фотоэлементов на основе кремниевых полупроводников. В то время был завершен цикл фундаментальных работ по физике, и были открыты фотоэлементы (фотопреобразователи), работающие по принципу преобразования падающего солнечного фотонного излучения.

Именно этот источник - солнечные батареи - был основным и практически бесконечным источником энергии для третьего Советского искусственного спутника Земли - автоматической орбитальной научной лаборатории, весившей около полутора тонн.

Началась подготовка к первому полету в Космос человека. Бессонные ночи, долгие часы напряженной работы... И вот, настал этот день. Вспоминает Н.С. Лидоренко: "Всего за день до Гагаринского старта, на Совете Главных конструкторов, решается вопрос... Молчат. Королев: "Ну так, еще раз, какое ваше мнение?" Опять зал молчит. "Так я принимаю мочание за знак согласия". Королёв расписывается, и мы все - двенадцать подписей сзади, и полетел Гагарин..."

За месяц до полёта Гагарина - 4 марта 1961 года - в первые в истории был осуществлен перехват боеголовки стратегической ракеты. Источником питания принципиально нового вида техники - противоракеты В-1000 - была батарея, созданная объединением "Квант".

В 1961 году началась также работа над созданием космических аппаратов класса "Зенит" - со сложными системами единого питания из больших блоков, в которые входило от 20 до 50 батарей.

В ответ на событие 12 апреля 1961 года, президент США Джон Кеннеди заявил: "Русские открыли это десятилетие. Мы закроем его". Он сообщил о намерении отправить человека на Луну.

В США всерьез начали думать о размещении оружия в космосе. В начале 60-х американские военные и политики строили планы милитаризации Луны - идеального места для командного пункта и военной ракетной базы. Из слов Стэнли Гарднера, командующего ВВС США: "Через два или три десятилетия Луна по своему экономическому, техническому и военному значению будет иметь в наших глазах не меньше ценности, чем те или иные ключевые районы на Земле, ради обладания которыми происходили основные военные столкновения".

Физик Ж. Алферов провел серию исследований по свойствам гетероструктурных полупродников - рукотворных кристаллов, созданных методом послойного напыления различных компонентов в один атомный слой.

Н.С. Лидоренко принял решение о немедленном внедрении в масштабный эксперимент и технику этой теории. На Советском автоматическом космическом аппарате - Луноходе впервые в мире были установлены солнечные батареи, работающие на арсениде галлия и способные выдерживать высокие температуры свыше 140-150 градусов Цельсия. Батареи были установлены на откидной крышке Лунохода. 17 ноября 1970 года в 7 часов 20 минут по Московскому времени Луноход-1 коснулся поверхности Луны. Из Центра управления полётом поступила команда на включение солнечных батарей. Долгое время от солнечных батарей не было отклика, но затем сигнал прошел, и солнечные батареи прекрасно показали себя за всё время работы аппарата. За первый день Луноход прошел 197 метров, за второй - уже полтора километра.. Через 4 месяца, 12 апреля, возникли трудности: Луноход попал в кратер... В конце концов было принято рискованное решение - закрыть крышку с солнечной батареей и пробиваться вслепую назад. Но риск оправдался.

Коллективом "Кванта" была примерно в это же время решена задача создания прецизионной системы термолигулирования повышенной надёжности, которая допускала отклонения температуры в помещении не более 0,05 градуса. Установка успешно работает в Мавзолее В.И. Ленина уже более 40 лет. Она оказалась востребованной и в ряде других стран.

Важнейшим этапом деятельности Н.С. Лидоренко было создание систем энергообеспечения пилотируемых орбитальных станций. В 1973 году на орбиту была выведена первая из таких станций - станция "Салют" - с огромными крыльями солнечных батарей. Это было важным техническим достижением специалистов "Кванта". Солнечные батареи были составлены из панелей из арсенида галлия. Во время работы станции на освещенной Солнцем стороне Земли избыток электроэнергии переводился в электрические аккумуляторы, и эта схема давала практически неиссякаемое энергоснабжение космического корабля.

Успешная и эффективная работа солнечных батарей и основанных на их использовании систем энергообеспечения на станциях "Салют", "Мир" и других космических аппаратах подтвердила правильность стратегии развития космической энергетики, предложенной Н.С. Лидоренко.

В 1982 году за создание систем космической энергетики коллектив НПП "Квант" был награжден Орденом Ленина.

Созднные коллективом "Кванта", руководимым Н.С. Лидоренко, источники электропитания питают практически все военные и космические системы нашей страны. Разработки этого коллектива называют кровеносной системой отечественного оружия.

В 1984 году Николай Степанович оставил пост Главного конструктора НПО "Квант". Он оставлял цветущее предприятие, которое называли "Империя Лидоренко".

Н.С. Лидоренко решил вернуться к фундаментальной науке. В качестве одного из направлений он решил использовать свой новый способ прикладного решения проблемы преобразования энергии. Отправной точкой стал тот факт, что человечество научилось использовать только 40% от вырабатываемой энергии. Имеются новые подходы, позволяющие увеличить надежду повысить эффективность электроэнергетики на 50% и более. Одна из основных идей Н.С. Лидоренко состоит в возможности и необходимости поиска новых фундаментальных элементарных источников энергии.

Источники материала: Материал составлен на основе данных, ранее неоднократно опубликованных в печати, а также на основе кинофильма "Ловушка для Солнца" (режиссер - А. Воробьев, эфир 19.04.1996)

Успешная и эффективная работа солнечных батарей и основанных на их использовании систем энергообеспечения космических аппаратов - подтверждение правильности стратегии развития космической энергетики, предложенной Н.С. Лидоренко.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ). Техническим результатом изобретения является: повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ, упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ, повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит: панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ), шунтирующий диод; коммутирующие шины, соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ, при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

Рисунки к патенту РФ 2525633

Область техники

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ).

Уровень техники

К СБ предъявляются следующие требования: максимальная энергетическая эффективность при минимальной массе, сохранение электрических и механических характеристик при хранении, транспортировке на Земле и выводе на расчетную орбиту, длительный срок активного существования (САС) на орбите при минимальной деградации, которая выражается в потере мощности. У современных СБ САС достигает 15 лет и выдвигаются требования по его увеличению до 20 лет.

Основными причинами деградации на орбите являются нарушения структуры активных элементов, а именно фотопреобразователей (ФП) и диодов под действием радиации, а также нарушения, возникающие в результате воздействия изменения температуры, термоциклов. На разных орбитах различен диапазон изменения температуры и частота термоциклов. Для условий эксплуатации на геостационарной орбите верхнее значение температуры +100°C, нижнее - 170°C, количество термоциклов - 2000. На низких орбитах диапазон изменения температуры меньше, верхнее значение +100°C, нижнее - 100°C, но количество термоциклов в течение срока активного существования на орбите составляет несколько десятков тысяч.

Из уровня техники известно (см. Н. S. Rauschenbach. The principles and technology of photovoltaic energy conversion. New York, 1980), что СБ состоит из отдельных генераторов, включающих цепочки солнечных элементов (СЭ), внутри генераторов встречно-параллельно с солнечными элементами устанавливают шунтирующие диоды. Помимо шунтирующих диодов для обеспечения надежной работы СБ применяется диодная защита, которая обеспечивается блокирующими диодами.

В последние годы на смену кремниевым пришли более эффективные солнечные элементы, включающие несколько каскадов гетеропереходов, на основе соединений АзВ5, которые выращены на германиевой подложке (см. P. R. Sharps, М. A. Stan, D. J. Aiken, В. Clevenger, J. S. Hill and N. S. Fatemi. High efficiebcy, multi-junction cells with monolithic bypass diodes, NASA/CP.2005-213431. Page 108-115). Каждый такой СЭ защищается диодом, расположенным с СЭ в одной плоскости, причем диод имеет такую же толщину, как и СЭ. Обычно в СЭ выполнены по углам срезы, в которых размещается диод треугольной формы (см. патенты США на изобретения US 6353176, US 6034322 и заявку США на изобретение US 2008/0000523).

Из уровня техники известна солнечная батарея космических аппаратов, расположенная на углепластиковой сотовой панели. Несущая часть сотовой панели состоит из двух слоев углепластика, между которыми расположен сотовый наполнитель из алюминиевой фольги. На углепластиковую поверхность, предназначенную для монтажа СЭ, наклеивается электроизоляционная пленка. Электрогенерирующая часть солнечной батареи (модули) состоит из солнечных элементов, последовательно или последовательно-параллельно соединенных друг с другом с помощью коммутирующих элементов с термомеханическими компенсаторами. На лицевую поверхность каждого СЭ наклеивается стеклянная пластина (см. GLOBASTAR. Solar Generator Desigh And Layout For Low Earth Orbit Application in Consideration Of Commercial Aspects And Quanlity Production. D-81663 Munich Germany).

К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ. Высокая вероятность повреждения межэлементной коммутации, выступающей над лицевой поверхностью СБ, в процессе ее изготовления и проведения регламентных работ, а также технологическая сложность изготовления межэлементной коммутации, обусловленная необходимостью размещения термомеханических компенсаторов в узких межэлементных зазорах, приводит к малой стойкости СБ к воздействию термических и механических нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является солнечная батарея космических аппаратов, содержащая панели с приклеенными на них модулями, состоящая из последовательно или последовательно-параллельно соединенных с помощью коммутирующих шин СЭ, где коммутирующие шины снабжены термомеханическими компенсаторами, а к лицевой поверхности каждого СЭ приклеена защитная стеклянная пластина, которая снабжена дополнительно приклеенными к плоской или криволинейной поверхности каркаса имеющими заданную форму и размер эластичными элементами, где внутренний объем эластичных элементов заполнен герметиком с образованием выпуклого мениска, а СЭ прижаты к эластичным элементам и зафиксированы неподвижно, а коммутирующие шины с термомеханическими компенсаторами и шунтирующие диоды приварены или припаяны к тыльным контактам СЭ в зонах, свободных от герметика, причем термомеханические компенсаторы расположены между тыльной стороной СЭ и несущей поверхностью каркаса в зонах, свободных от герметика (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2250536).

К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ, плохая стойкость СБ к воздействию механических и термомеханических нагрузок. Молибденовая шина, толщиной 50 мкм и имеющая многослойное специальное покрытие, является очень жесткой. При присоединении коммутирующих шин сваркой ухудшаются электрические характеристики шунтирующих диодов, а в некоторых случаях из-за жесткой шины точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование. При повышенных температурах происходит деградация СЭ после пайки и сварки, что приводит к отслоению контактов от СЭ и, как следствие, выходу из рабочего состояния ячеек СБ.

Из уровня техники известен способ изготовления СБ космических аппаратов с шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, формирование шунтирующих диодов на лицевой стороне СЭ, соединение шунтирующих диодов и СЭ СБ космических аппаратов, соединение с помощью коммутирующих шин СЭ (см. патент США на изобретение US6635507).

К недостаткам известного способа относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации на рабочей и нерабочей сторонах. Кроме того, при присоединении коммутирующих шин сваркой возможно замыкание коммутирующей шиной слоев структуры, а точка сварки вырывается вместе со структурой подложки, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является способ изготовления СБ космических аппаратов с интегрированным шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с углублениями для размещения дискретных шунтирующих диодов, изготовление дискретных шунтирующих диодов на основе полупроводниковой подложки, монтажа дискретных шунтирующих диодов в углубления, контактирование солнечных элементов с шунтирующими диодами с помощью коммутационных шин (см. патент США на изобретение US 5616185).

К недостаткам известного способа изготовления относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации при формировании металлизации нерабочей стороны. Кроме того, при резке на кристаллы на кремниевых монокристаллических подложках образуются трещины, а при присоединении коммутационных шин сваркой точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование (термоудары).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является:

Повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ,

Упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ,

Повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что солнечная батарея малоразмерных космических аппаратов содержит:

Шунтирующий диод;

при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

В предпочтительном варианте толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм, суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм, толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.

Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов включает:

Соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих

при этом коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

В предпочтительном варианте слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°С с предварительной ионной бомбардировкой, а молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.

На фиг.1 представлен СЭ с установленными сбоку с помощью коммутирующих шин шунтирующим диодом.

На фиг.2 схематично представлена послойная структура коммутирующей

На фиг.3 представлен алгоритм способа изготовления СБ КА.

На фиг.4 представлены рассчитанные по экспериментально измеренным деформациям величины внутренних механических напряжений в слоях металлов коммутирующих шин, сформированных при различной температуре молибденовой фольги.

На фиг.4 на графиках в скобках указан оптимальный рабочий диапазон температур молибденовой фольги при напылении. На фиг.1 обозначено следующее:

1 - шунтирующий диод;

2 - коммутирующая шина, соединяющая лицевую сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);

3 - коммутирующая шина, соединяющая обратную сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);

4 - солнечный элемент (СЭ);

На фиг.2 обозначено следующее:

5 - подготовленная молибденовая фольга;

6 - слой ванадия или титана;

7 - слой никеля;

8 - слой серебра.

Осуществление и пример реализации изобретения

Заявленный способ был использован при реализации групповой технологии изготовления солнечных батарей космических аппаратов и состоит из следующей последовательности технологических операций (см. фиг.3): производят изготовление солнечных элементов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление коммутирующих шин, включающее в себя подготовку молибденовой фольги и металлизацию подготовленной молибденовой фольги методом вакуумного магнетронного напыления с двух сторон слоями ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой, затем производят отжиг молибденовой фольги с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра в вакууме при температуре 300-350°C, осуществляют приварку коммутирующих шин к шунтирующим диодам, испытывают шунтирующие диоды на термоциклирование и термоудар, соединяют солнечные элементы с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин и осуществляют выходной контроль солнечной батареи космических аппаратов.

Толщину молибденовой фольги выбирали исходя из наибольшего усилия отрыва приваренной коммутирующей шины к лицевой и обратной сторонам шунтирующего диода после проведения испытаний на термоудар.

Усилие отрыва приваренной коммутирующей шины от шунтирующего диода определяли следующим образом: подготавливали молибденовую фольгу в несколько этапов, после чего производилось утонение молибденовой фольги до следующих толщин: 6±0,1 мкм, 7,5±0,1 мкм, 10±0,1 мкм, 13±0,1 мкм. Затем на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления нанесли с двух сторон слои ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.

После чего молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигали в вакууме при температуре 300-350°C и производили вырубку из молибденовой фольги коммутирующих шин. После чего производили контрольную сварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.1).

Затем производили испытания на термоудар приваренных коммутирующих шин к шунтирующим диодам, заключающийся в проведении 450 циклов термоударов от температуры -180°C (пары жидкого азота) до 120°C на специализированном оборудовании. После чего производилось измерение электрических параметров шунтирующих диодов, которое показало незначительное повышение прямого напряжения на фоне неизменных значений токов утечки и обратного напряжения. Затем производили контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.2).

В результате испытаний выявлено увеличение усилия отрыва у всех вариантов толщин коммутирующих шин от шунтирующих диодов при незначительном изменении электрических характеристик шунтирующих диодов. Исходя из таблицы 2 получено, что оптимальной толщиной молибденовой фольги является 10±0,1 мкм, так как обеспечивается максимальное усилие отрыва шины от шунтирующего диода.

Температуру молибденовой фольги при технологической операции напыления металлов выбирали исходя из минимальных напряжений в получаемой структуре (см. фиг.4). Внутренние напряжения определяли следующим образом: формировали одноконсольные микробалки методом магнетронного напыления металлических пленок V-Ni-Ag на подготовленной молибденовой фольге с фотолитографией и плазмохимическим травлением металлов. Полученные образцы одноконсольных микробалок исследовали с помощью оптического микроскопа Axio Imager фирмы Carl Zeiss при увеличении в 6000х. Проводили измерения размеров балочной конструкции и направление деформации. Форма деформации определялась по отклонению микробалок в различных точках ее длины от поверхности. После чего с помощью математической обработки по формуле Стоуни вычисляли величины напряжения балок. Кривизну балки находили, измеряя отклонение хвостовика одноконсолыюй микробалки. Указанные режимы выбирали исходя из соображений воспроизводимости технологического процесса, которая обеспечивается, если при присоединении коммутирующих шин сваркой точка сварки не вырывается (см. табл.3).

По предложенным конструкции и способу изготовления изготавливали СБ для малоразмерных КА, включающие в себя бескорпусные шунтирующие диоды треугольной формы с обратным напряжением 100 В и прямым током 2 А и каскадные фотопреобразователи на основе соединений А 3 В 5 .

До использования заявленного технического решения использовались серебряные коммутационные шины, которые приваривались к шунтирующим диодам и СЭ. Испытание диодов показало низкую стойкость к термоударам (происходило разрушение структуры после 10-15 термоударов от -180°C до +100°C), причем процент выхода годных диодов по электрическим характеристикам на этапе термоциклирования составлял не более 70% из годных диодов после сборки, а в оставшихся 30% происходило разрушение структуры в зоне приварки (межслойное разрушение по основным материалам при воздействии повышенных и пониженных температур) при контроле прочности сварного соединения. Усилие отрыва металлизации от кристалла составляло 50-100 г/мм 2 , а после использования настоящего технического решения составило более 150 г/мм 2 , в результате чего процент выхода годных диодов на этапе термоциклирования повысился до 85%.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит:

Панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ),

Шунтирующий диод;

Коммутирующие шины, приваренные к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ,

отличающаяся тем, что

коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

2. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм.

3. Солнечная батарея по п.2, отличающаяся тем, что суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм.

4. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.

5. Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов, включающий:

Изготовление солнечных элементов (СЭ) на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с вырезом в углу под шунтирующие диоды,

Изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки,

Изготовление коммутирующих шин,

Приварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов,

Установку шунтирующих диодов в вырезе в углу СЭ,

Соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин,

отличающийся тем, что

коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.

Солнечные батареи зачастую бывают довольно больших размеров, поэтому сложно подобрать такие объекты недвижимости, на которых их можно было бы разместить. Одна швейцарская компания разработала новый подход и нашла свои пути решения этой проблемы. Компания запускает плавающий остров, покрытый солнечными батареями на озеро Невшатель. Каждый из трех запланированных островов диаметром 25 метров сможет разместить на себе 100 фотоэлектрических панелей, которые будут работать на протяжении следующих 25 лет. Острова так же будут использованы в научно-исследовательских целях.

В последнее время, судоходные компании все чаще и чаще прибегают к использованию интенсивной солнечной энергетики, размещая на борту панели солнечных батарей. Впервые солнечные батареи на корабле были размещены в Шанхае в 2010 году. Корабль был оснащен огромной солнечной батареей, сделанной в виде паруса. По такому же принципу сделана яхта Turanor PlanetSolar, которая совсем недавно завершила кругосветное плавание, используя солнечную энергетику.

Солнечные батареи в небе

2013 года стал рекордным годом по использованию солнечных батарей в качестве источника энергии для самолетов. Компания Solar Impulse разработала самолет, совершивший самый продолжительный полет с использованием солнечной энергии. Самолет пролетел через всю Америку этим летом.

Разумеется, летать на солнечной энергии, пока что могут только небольшие, беспилотные самолеты. Солнечные батареи значительно облегчают конструкцию дронов, и увеличивают время их возможного пребывания в воздухе.

Одним из примеров использования солнечных батарей в воздухе является подъемник, размещенный высоко в горах, который способен подымать людей на вершину горы с помощью солнечной энергии.

Солнечные батареи в космосе

Исследователи Университета Карнеги-Меллона создали прототип разведочного ровера, который в будущем, планируется отправить на Луну, на ракете SpaceX. Устройство, называемое Polaris, полностью работает на солнечной энергии. Polaris будет использован для изучения полярных лунных широт. Ровер оснащен специальным программным обеспечением, которое поможет ему работать в более темных областях спутника.

Вы так же наверняка слышали о большом количестве космического мусора на орбите. Было бы неплохо восстановить эти спутники и вернуть их на землю для ремонта и дальнейшего возвращения на орбиту. Эта идея легла в основу новой концепции Solara, устройства работающего на солнечных батареях и не требующего постоянного ремонта. Атмосферный спутник разработан компанией Titan Aerospace. Solara способен работать в высочайших слоях атмосферы на протяжении пяти лет подряд.

Последней и самой амбициозной надеждой является проект японской фирмы, которая планирует построить массив солнечных батарей вокруг экватора Луны, а затем запустить луч энергии обратно на Землю. На создание «Кольца Луны » уйдет около 30 лет. По предположениям специалистов компании лунное кольцо будет генерировать до 13000 ТВт (тераватт) постоянной энергии.