CC BY
0
Секция
«ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 621.383.46
РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ «ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА»
Е.О. Большакова 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: Sharapiyuh@yandex.ru
Рассмотрели основные моменты по конструкции космического аппарата и способы ее улучшения для лучшего понимания работы при выполнении лабораторной работы.
Ключевые слова: Солнечная панель, солнечная батарея, методические указания, конструкция.
DEVELOPMANT OF METHODOLOGICAL GUIGELINES FOR THE LABORATORY
WORK «STUDY OF THE DESIGN OF THE SOLAR PANEL OF THE SPACECRAFT»
E.O. Bolshakova Scientific supervisor — I. Ja. Shestakov
ReshetnevSiberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: Sharapiyuh@yandex.ru
^nsidered the main points on the design of the spacecraft and ways to improve it for a better understanding of the work when performing laboratory work.
Keywords: Solar panel, solar battery, guidelines, design.
Вся система энергопитания космического аппарата является одной из важнейших систем, так как именно она определяет работоспособность всего устройства. В качестве энергии чаще всего выбирают солнечные панели, потому что на данный момент они считаются одним из самых надежных и отработанных вариантов обеспечения космического аппарата. И для того чтобы понять почему данный вид энергии до сих пор развивается, рассмотрим принцип работы и конструкцию солнечной батареи при выполнении лабораторной работы.
Основой солнечной панели является фотоэлектрические преобразователи световой энергии солнечного излучения. Принцип их действия основан на явлении фотоэлектрического эффекта, а точнее на вентильном фотоэффекте, который является возникновением электродвижущей силы под действием света в области p-n перехода. Так при использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки с варьирующим сопротивлением, так по
Секция «Электронная техника и технологии»
ней потечет электрический ток, благодаря разности потенциалов (фотоЭДС). Он в свою очередь образуется за счет поглощенной световой энергии в полупроводнике, после которой образуются пары носителей «электрон-дырка»; неосновные перебрасываются в соседнюю область; концентрация носителей возрастает и становится сверхравновесной, следовательно в области p появляется суммарный положительный заряд, а в области n — суммарный отрицательный, которые и обуславливают разность потенциалов.
Заметим что наиболее эффективным считается использование фото преобразователей на основе кремния, так как он является наиболее распространенным и хорошо освоенным в производстве элементом на земле; имеет одну из наибольших выходных мощностей для солнечного спектра; менее чувствителен к температурным колебаниям, а также позволяет достигнуть минимальных потерь на отражение. Сам кремний классифицируют на несколько видов по конструкции и производству. К ним относятся монокристаллические - выращенные цельные кристаллы с темным цветом с высоким КПД до 25%, но при попадании на них пыли или грязи производительность уменьшается. Поликристаллические отличаются светло-синим цветом и пятнышками. Делаются посредством химического охлаждения расплавленного кремния, не так хорошо очищены как прошлый вид, что сказывается на снижении КПД, но более устойчивы к внешней среде. Панели с аморфным кремнием делают с помощью доведения гидрида до состояния пара, который оседает на подложке. Такие панели имеют КПД до 10% и защищены от каких-либо повреждений. Один из главных минусов — это требуется слишком большая площадь. В особенных случаях используют гибридные солнечные панели, состоящие из разных видов кремниевых пластин наслоенных друг на друга, чтобы преобразовать более полный спектр солнечного излучения в энергию.
Теперь перейдем к устройству солнечной панели. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии, несколько таких элементов собирают в солнечные панели, чтобы производить больше электричества. Она состоит из нескольких слоев. Центральный слоем являются солнечные элементы. Они в свою очередь состоят из кремниевых пластин с одной стороны, которой наносят слой фосфора, а с другой — тончайший слой бора для создания p-n перехода. С обеих сторон наносятся антибликовые покрытия, контакты и токосъемные шины. Контакты соединяют солнечные элементы параллельно - последовательным способом. При последовательном соединении увеличивается выходное напряжение, при параллельном - выходной ток. Также солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Они предохраняют от выхода из строя части, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. в какой-то момент времени свет на них не попадает. Далее на каждую сторону солнечных элементов устанавливают герметизирующий материал, чтобы обеспечить полную герметичность фотоэлементов при работе в окружающей среде. В качестве герметизирующей обычно применяется этиленвинилацетатная (EVA) пленка. Ее минус в том, что она является одним из факторов старения фотоэлектрических элементов, так как они теряют свою прозрачность. Для полного исключения контакта преобразователей с внешней средой поверх пленки кладут стекло. От его технологии изготовления и химического содержания зависят такие характеристики, как коэффициент светопропускания, уровень поглощения электромагнитного фотонного потока и прочность, что влияет на КПД готового устройства. И последним устанавливается подложка с одной сторон противоположной стеклу. Способ его изготовления для спутников осуществляются путем пропитывания струн сетчатого материала связующим составом.
В рабочих условиях панель подвергается воздействию климатических и биологических факторов (для наземных систем) и космических (для внеатмосферных систем). Так панели на космическом аппарате необходимо предохранить от повреждений не только в космосе, но и при наземном обслуживании и запуске. Рассмотрим несколько факторов и способов защиты от них. Одна из причин снижения выходных параметров солнечных батарей в космосе связана с загрязнением их поверхности вследствие конденсации газов, выходящих из
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
двигателей и паров, которые образуются из-за сублимации различных материалов космического аппарата. Из-за грязи уменьшается световой поток и повышается рабочая температура солнечных элементов, что в итоге приводит к низким выходным параметрам. Для уменьшения грязи можно применить несколько видов механизмов очищения: защитную пленку, нанесение скользкого защитного слоя, вибрационное очищение и щеточное.
Корпускулярное и ультрафиолетовое излучения оказывают повреждения солнечных элементов на орбите. Основным воздействием является создание дополнительных центров рекомбинации путем смещения атомов полупроводникового материала. Под данным явлением солнечные элементы изменяют цвет (темнеет), из-за чего уменьшается достижения света до рабочей поверхности и возрастает рабочая температуры. Радиационную стойкость можно повысить кварцевым стеклом, а также легированием исходного материала литием, атомы которого обладают большой подвижностью при температуре 20...50°C. Литий дрейфует в область радиационных нарушений и нейтрализует электрическую активность образовавшихся дефектов. Но при таких изменениях мы ухудшаем другие параметры, поэтому стоит искать компромисс между параметрами с изменениями и без.
В общей установке для того, чтобы солнечная батарея была способна преобразовывать свет солнца в ток, необходимы следующие элементы в фотоэлектрической системе: сама солнечная панель, состоящая из p-n перехода; источник питания для преобразования движения заряженных электронов; аккумуляторная батарея; контроллер заряда, который используется для защиты аккумуляторных батарей от глубокого разряда, когда есть перерасход энергии, или перезарядки, когда солнечная панель вырабатывает избыток электричества путем включения и выключения нагрузки; инвертор — преобразователь постоянного тока в переменный и устройство, стабилизирующее напряжение.
Солнечные батареи имеют большой потенциал, так как больше отработанны в космосе, но даже при этом все еще есть много направлений куда они могут развиваться. От способов уменьшения влияния окружающей среды до улучшения отдельных элементов для повышения различных характеристик. В итоге рассмотрели конструкцию солнечной панели космического аппарата, привели несколько примеров его улучшения, что дает на достаточном уровне понимание ее работы при выполнении лабораторной работы.
Библиографические ссылки
1. Рауншенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей Пер. С англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 311,325 с.
2. Бессель В.В., Кучеров В.Г., Мингалеева Р.Д. Изучение солнечных фотоэлектрических элементов: Учебно-методическое пособие. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2016. - 12,21,48 с.
3. Как работает солнечная батарея: устройство и принцип действия, подробное видео [Электронный ресурс]. URL: https://eco-kotly.ru/princip-raboty-i-ustrojstvo-solnecnoj-batarei-polnyj-obzor/ (дата обращения: 28.03.2022).
4. Глазачев, А. В., Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций / Томск, 2015. - 26 с.
5. Фотоэффект и его виды [Электронный ресурс]. URL: https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/fotoeffekt-i-ego-vidyi/ (дата обращения: 01.04.2022).
6. Подложка панели солнечной батареи и способ ее изготовления [Электронный ресурс]. URL: https://findpatent.ru/patent/244/2449226.html (дата обращения: 01.04.2022).
© Большакова Е. О., 2022
