CC BY
7
УДК 621.311; 620.91
УСТОЙЧИВОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЛАЗМЫ
А.Д. Широков, Д.А. Феоктистов, А.В. Смирнов, М.С. Федоров Научный руководитель - Т.Г. Орешенко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматривается влияние воздействия плазмы на надёжность солнечных панелей, а также сравнивается устойчивость к такому воздействию различных металлов.
Ключевые слова: солнечные панели, бортовая аппаратура, электрический разряд, плазма.
STABILITY OF SOLAR PANELS UNDER THE INFLUENCE OF PLASMA
A. D. Shirokov, D. А. Feoktistov, A.V. Smirnov, M.S. Fedorov Scientific supervisor - T. G. Oreshenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: [email protected]
The effect of plasma exposure on the reliability of solar panels is considered, as well as the resistance to such effects of various metals is compared.
Keywords: solar panels, onboard equipment, electric discharge, plasma.
При достижении космическим аппаратом (КА) требуемой орбиты, могут возникать трудности во время полёта. Например, воздействие различных факторов при преодолении околоземных орбит, которые могут вызвать неустойчивость работы КА, а также его выход из строя. Такими факторами могут являться следующие: плазма окружающей среды, магнитосферные возмущения, солнечная радиация, и многие другие. Речь пойдёт о воздействии плазмы, создаваемой стационарными плазменными двигателями и возможным решениям этой проблемы.
Говоря о замкнутости цепи солнечной батареи (СБ), стоит сказать о том, что большая часть поверхности аппарата находится под отрицательным потенциалом относительно окружающей плазмы [1]. Это вызвано следующим: местное «заземление» СБ осуществляется путём соединения отрицательного полюса СБ к корпусу спутника, из-за чего возникает разница потенциалов при использовании холловских плазменных двигателей и прохождении (КА) области полярных сияний при высоте над Землёй 500-700 км. Вследствие прохождения данных областей, за СБ возникает плазменная тень, т.к. ионы не достигают тыльной стороны СБ из-за высокой скорости КА. За счёт этого, тыльная сторона КА может приобрести отрицательный потенциал относительно корпуса КА и создать условия для возникновения электростатического пробоя.
Данное явление может привести к увеличению риска возникновения электростатического пробоя при использовании СБ с выдаваемым в сеть напряжением более чем 100 В. Также, это приводит к увеличению удельных потерь мощности и момент магнитосферных бурь увеличивается риск выхождения из строя СБ.
Секция «Автоматика и электроника»
Выход СБ из строя происходит в связи с возникновением первичного триггерного разряда, который затем перерастает во вторичную устойчивую электрическую дугу. Первичный триггерный разряд возникает при возникновении магнитосферного возмущения, который вызывает возрастающую разность потенциалов между покровным стеклом солнечного элемента и корпусом КА. Если разряд начинает возникать между двумя линейками солнечных элементов СБ с разными потенциалами или между солнечным элементом и каким-либо проводником, то возникает риск перехода первичного триггерного разряда во вторичный, подпитываемый уже энергией участка СБ. Это может привести как к закорачиванию участков СБ, а также и к нагреву подложки СБ, вызывающего тепловой пробой, который также приводит к короткому замыканию СБ.
Электрический пробой может воздействовать на кремниевые пластины фотопреобразователя двумя способами: Разрушение просветляющего покрытия и образование кратеров с повреждением p-n-p переходов в локальных участках; Формирование в стеклянном покрытии фронта ударной волны при пробое, из-за которого образуется область деформаций с высокой плотностью дислокаций, сохраняя поверхность кремниевого кристалла невредимой.
Для борьбы с возникающей разницей потенциалов проводятся исследования в подавлении возникновения электрических разрядов и снижение повреждений от каждого разряда.
Повысить надёжность возможно с помощью использования в СБ оптического концентратора (8.5х) с линейным фокусом на базе линейной преломляющей линзы Френеля с КПД солнечного фотопреобразователя, равным 27-30%. Линзы изготавливаются из тонкого (140мкм) гибкого силиконового материала (ДС-93-500). В фокусе оптического концентратора располагается солнечный элемент с тройным переходом (GaInP/GaAs/Ge). Солнечный элемент расположен внутри герметичной, изолированной от космической плазмы оболочке, позволяющей защищать СБ как от возникновения электрических пробоев, так от микрометеорных частиц и космических корпускулярных излучений. Особенностью СБ типа SLA по сравнению с плоскими СБ заключается в том, что площадь солнечных элементов при равной мощности намного меньше, чем у плоской СБ, в связи с этим увеличивается сопротивление воздействию электрических разрядов за счёт более совершенной изоляции. Солнечные батареи данного типа имеют высокие технические показатели (~300 Вт/м2) и (~180 Вт/кг), а также выдаваемое напряжение в сеть более 500 В.
Негерметичное исполнение отсеков полезной нагрузки на современных космических аппаратах привело к возможности проникновения плазмы, выделяемой при работе ЭРД, к бортовой аппаратуре, что может стать причиной нарушения нормальной её работы [2] .
Поскольку плазма является проводящей средой, то через любой электрод с потенциалом, отличным от потенциала плазмы [3], будет протекать ток утечки. Данные токи могут привести к отклонениям БА от нормальной работы. Достаточно большие токи утечки приводят к частичному испарению изоляционных материалов и возникновению объёмного теплового пробоя, который может вывести оборудование из строя.
На данный момент оценить поражающие способности плазмы и точно дать рекомендации по исключению этих негативных эффектов невозможно. Поэтому для стойкости БА рекомендуется ранжирование и выборочные испытания БА по степени критичности к воздействию плазмы. Для создания солнечных батарей может быть применима технология изоляции солнечных элементов типа SLA с тройным переходом (GaInP/GaAs/Ge), который способствует уменьшению риска возникновения первичного и вторичного триггерного разряда.
Библиографические ссылки
1. Акишин А. И. Воздействие электрических разрядов на солнечные батареи ИСЗ : Труды IX межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», 2008. С. 3-10.
2. Механизмы воздействия плазмы электроракетных двигателей на работу бортовой аппаратуры космических аппаратов / В. В. Иванов, Максимов И. А., Надирадзе А. Б. и др. // Вестник СибГАУ. 2007. № 3 (16). С. 87-91.
3. Новиков Л. С. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей плазмой. Учебное пособие. - М.: Университетская книга, 2006. 120 с.
© Широков А. Д, Феоктистов Д. А., Смирнов А. В., Федоров М. С., 2022
