CC BY
1
УДК 629.7.064.56
ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ
КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
М. М Горелов Научный руководитель - И.Я. Шестаков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail:maxgorelov.98@mail.ru
В данной статье рассматриваются солнечные панели на космических аппаратах, их принцип работы, эффективность и характеристики.
Ключевые слова: солнечная батарея,фотоэлемент, характеристики.
STUDY OF THE TECHNICAL CHARACTERISTICS OF THE SOLAR PANEL
OF THE SPACECRAFT
M. M. Gorelov Scientific supervisor - I.Y. Shestakov
ReshetnevSiberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail:maxgorelov.98@mail.ru
This article discusses solar panels on spacecraft, their operating principle, efficiency and characteristics.
Keywords: solar battery, solar cell, characteristics.
Введение.
Идея об освоении космического пространства, а также использования энергии солнца будоражит человека с давних времен. Ещё в 19 веке К. Э. Циолковский сформулировал программу освоения космоса [1]. И именно ему принадлежит идея использования энергии излучения Солнца.
Основой солнечной батареи являются фотоэлектрические преобразователи световой энергиисолнечного излучения[2]. Их принцип работыоснован на явлении
фотоэлектрического эффекта - это способность тел, особенно полупроводников, увеличивать свою электропроводность при воздействии на них лучистого светового потока.
Одни из первых прототипов солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком 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 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 спутникс солнечными батареями — Vanguard 1. Через несколько месяцев, 15 мая 1958 года в СССР был запущен первый искусственный спутник с кремниевой солнечной батареей Спутник-3 (рис.1).
Рис. ¡.Советский искусственный спутник Земли «Спутник-3» с первой кремниевой солнечной батарей
Проблема.
Солнечная энергия, получаемая с помощью солнечных панелей, остается очень доступным способом получения энергии, но при этом она имеет весьма низкий коэффициент полезного действия батареи (от 5 до 25%); а также высокую стоимость в производстве и необходимость использования большой занимаемой площади для эффективного и использования [3].
¡.Эффективность фотоэлементов.
Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу Земли, составляет около 1366 ватт на квадратный метр. В то же время, удельная мощность солнечного излучения 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 %
В 2009 году компания Spectrolab продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление солнечных элементов этой фирмы на продажус 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 % опередило предыдущий рекорд.
В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из огрстекла (полиметилметакрилата), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил от 26 до 30 % (в зависимости от времени года и угла), что в два раза превысило 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 %, что превзошло 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% [4].
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 в перспективе КПД до 85%. Максимально возможные значения эффективности фотоэлементов представлены в таблице 1.
Таблица 1
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
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
* Субмодуль - легко заменяемый малогабаритный элемент конструкции модуля, добавляющий возможности основному модулю.
2. Характеристики солнечных панелей
Основными параметрами, характеризующими солнечные панели (батареи) являются:
1. Площадь солнечной батареи и её отдельных ячеек. Чем выше
2. Мощность солнечных панелей. Это количество электроэнергии, которое она сможет выработать за промежуток времени. Она зависит от размеров самой солнечной панели и от интенсивности солнечного освещения.
3. Типы фотоэлектрического слоя. Существуют несколько разновидностей:
• Кремниевые (монокристаллические, поликристаллические, аморфные);
• Теллурий-кадмиевые;
• Полимерные; органические;
• на основе арсенида галлия;
• комбинированные и многослойные и т.д.
4. КПД. Величина, определяющая способность панели преобразовывать солнечную энергию в электрический ток. Она равняется отношению мощности электроэнергии к мощности падающих на панель устройства солнечных лучей.
5. Допустимые пределы отклонения по мощности (толеранс). Отклонение может быть, как положительным, так и отрицательным.
6. Уровень деградации LID или срок службы. С течением времени фотоэлектрические ячейки теряют свою эффективность.На данный момент большинство солнечных панелей способны работать до 25 лет, но при этом падает производительность и наблюдается ухудшение характеристик.
7. Температурный коэффициент - это процент снижения эффективности при повышении или понижения температуры воздуха на каждый градус. Как правило солнечные панели имеют широкий рабочий диапазон от -150 до 100 °С.
8. Удельная эффективность. Измеряется как отношение номинальной мощности к единице площади панели [5].
Библиографические ссылки
1. Ванке В. А. Космические энергосистемы. М.: Машиностроение, 1990. 142 с
2. Скребушевский Б. С. Космические энергетические установки спреобразованием солнечной энергии. М.: Машиностроение, 1992. 215 с
3. Грабин Б.В. Основы конструирования космических аппаратов: Учебное пособие. -М.:Изд-во МАИ, 2007. 53 с.
4. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей : пер. с англ. М. : Энергоатомиздат, 1983. 360 с
5. Журнал все о космосе. [Электронный ресурс]. URL: https://aboutspacejornal.net/ солнечная батарея панель (дата обращения: 12.4.2021).
© Горелов М.М., 2022
