Dizajn solárnych panelov pre kozmické lode. Solárne panely na oblohe, na vode a vo vesmíre. Faktory ovplyvňujúce účinnosť fotobuniek
Solárna batéria na ISS
Solárna batéria - niekoľko kombinovaných fotoelektrických meničov (fotočlánkov) - polovodičové zariadenia, ktoré priamo premieňajú slnečnú energiu na priamu energiu elektriny, Na rozdiel od solárne kolektory, čo spôsobuje zahrievanie materiálu chladiacej kvapaliny.
Predmetom výskumu slnečnej energie sú rôzne zariadenia, ktoré umožňujú premieňať slnečné žiarenie na tepelnú a elektrickú energiu (z gréckeho helios Ήλιος, Helios -). Výroba fotovoltaických článkov a solárnych kolektorov sa vyvíja rôznymi smermi. Solárne panely sa dodávajú v rôznych veľkostiach, od tých, ktoré sú zabudované do mikrokalkulátorov, až po tie, ktoré zaberajú strechy áut a budov.
Príbeh
Prvé prototypy solárnych článkov vytvoril taliansky fotochemik arménskeho pôvodu Giacomo Luigi Ciamician.
25. apríla 1954 Bell Laboratories oznámili vytvorenie prvých solárnych článkov na báze kremíka na výrobu elektrického prúdu. Tento objav urobili traja zamestnanci spoločnosti – Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin a Gerald Pearson. Len o 4 roky neskôr, 17. marca 1958, bol v Spojených štátoch spustený prvý so solárnymi panelmi, Vanguard 1. Len o pár mesiacov neskôr, 15. mája 1958, bol vypustený aj Sputnik 3 v ZSSR. pomocou solárnych panelov.
Použitie vo vesmíre
Solárne panely sú jedným z hlavných spôsobov získania elektrická energia na: fungujú dlhú dobu bez spotreby akýchkoľvek materiálov a zároveň sú šetrné k životnému prostrediu, na rozdiel od jadrových a.
Pri lete vo veľkej vzdialenosti od Slnka (za obežnou dráhou) sa však ich použitie stáva problematickým, keďže tok slnečnej energie je nepriamo úmerný štvorcu vzdialenosti od Slnka. Pri lietaní na a naopak výkon solárnych panelov sa výrazne zvyšuje (v oblasti Venuše 2-krát, v oblasti Merkúra 6-krát).
Účinnosť fotobuniek a modulov
Prietokový výkon slnečné žiarenie pri vstupe do atmosféry (AM0) je približne 1366 wattov na meter štvorcový (pozri tiež AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). Zároveň merný výkon slnečného žiarenia v Európe pri veľmi zamračenom počasí, dokonca aj počas dňa, môže byť nižší ako 100 W/m². Pomocou bežných priemyselne vyrábaných solárnych panelov možno túto energiu premeniť na elektrickú energiu s účinnosťou 9-24%. V tomto prípade bude cena batérie približne 1-3 doláre za watt menovitého výkonu. Pri priemyselnej výrobe elektriny pomocou solárnych článkov bude cena za kWh 0,25 USD Podľa Európskej fotovoltaickej asociácie (EPIA) do roku 2020 náklady na elektrinu vyrobenú solárnymi systémami klesnú na menej ako 0,10 EUR za kW priemyselné inštalácie a menej ako 0,15 € za kWh pre inštalácie v obytných budovách.
V roku 2009 Spectrolab (dcérska spoločnosť Boeingu) predviedol solárny článok s účinnosťou 41,6 %. V januári 2011 sa očakával vstup na trh solárnych článkov tejto spoločnosti s účinnosťou 39 %. Kalifornská spoločnosť Solar Junction dosiahla v roku 2011 účinnosť 43,5 % pre solárny článok s rozmermi 5,5 x 5,5 mm, čo bolo o 1,2 % viac ako predchádzajúci rekord.
V roku 2012 spoločnosť Morgan Solar vytvorila systém Sun Simba z polymetylmetakrylátu (plexiskla), germánia a arzenidu gália, pričom spojila koncentrátor s panelom, na ktorom je namontovaný solárny článok. Účinnosť systému pri nehybnom paneli bola 26-30% (v závislosti od ročného obdobia a uhla, v ktorom sa nachádza Slnko), čo je dvojnásobok praktickej účinnosti solárnych článkov na báze kryštalického kremíka.
V roku 2013 Ostrá spoločnosť vytvoril trojvrstvový solárny článok s rozmermi 4x4 mm na báze indium-gálium-arzenid s účinnosťou 44,4% a skupina špecialistov z Inštitútu solárnych energetických systémov Fraunhofer Society, Soitec, CEA-Leti a Berlín Helmholtz Center vytvoril fotobunku s použitím Fresnelových šošoviek s účinnosťou 44,7 %, čím prekonal svoj vlastný úspech 43,6 %. V roku 2014 vytvoril Fraunhoferov inštitút pre solárne energetické systémy solárne články, ktoré vďaka šošovke zaostrujúcej svetlo na veľmi malú fotobunku mali účinnosť 46 %.
V roku 2014 španielski vedci vyvinuli fotovoltaický článok vyrobený z kremíka, ktorý dokáže premieňať infračervené žiarenie zo slnka na elektrinu.
Sľubným smerom je vytvorenie fotobuniek na báze nanoantén, ktoré fungujú priamym usmerňovaním prúdov indukovaných v malej anténe (asi 200-300 nm) svetlom (t.j. elektromagnetickým žiarením s frekvenciou asi 500 THz). Nanoantény nevyžadujú drahé suroviny na výrobu a majú potenciálnu účinnosť až 85 %.
| Typ | Koeficient fotoelektrickej konverzie, % |
|---|---|
| kremík | |
| Si (kryštalický) | 24,7 |
| Si (polykryštalický) | 20,3 |
| Si (prenos tenkým filmom) | 16,6 |
| Si (submodul tenkého filmu) | 10,4 |
| III-V | |
| GaAs (kryštalický) | 25,1 |
| GaAs (tenký film) | 24,5 |
| GaAs (polykryštalický) | 18,2 |
| InP (kryštalický) | 21,9 |
| Tenké vrstvy chalkogenidov | |
| CIGS (fotobunka) | 19,9 |
| CIGS (submodul) | 16,6 |
| CdTe (fotobunka) | 16,5 |
| Amorfný/nanokryštalický kremík | |
| Si (amorfný) | 9,5 |
| Si (nanokryštalický) | 10,1 |
| Fotochemický | |
| Na báze organických farbív | 10,4 |
| Na báze organických farbív (submodul) | 7,9 |
| Organické | |
| Organický polymér | 5,15 |
| Viacvrstvové | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 |
| GaInP/GaAs | 30,3 |
| GaAs/CIS (tenký film) | 25,8 |
| a-Si/mc-Si (tenký submodul) | 11,7 |
Faktory ovplyvňujúce účinnosť fotobuniek
Štrukturálne vlastnosti fotobuniek spôsobujú pokles výkonu panelov so zvyšujúcou sa teplotou.
Od výkonnostné charakteristiky fotovoltický panel ukazuje, že na dosiahnutie čo najväčšej účinnosti je potrebný správny výber záťažového odporu. K tomu sa fotovoltické panely nepripájajú priamo k záťaži, ale využívajú ovládač riadenia fotovoltických systémov, ktorý zabezpečuje optimálnu prevádzku panelov.
Výroba
Jednotlivé fotobunky veľmi často nevyrábajú dostatok energie. Preto sa určitý počet fotovoltaických článkov spája do takzvaných fotovoltaických solárnych modulov a medzi sklenené dosky je namontovaná výstuž. Táto montáž môže byť plne automatizovaná.
Ruský holding Space Systems (RKS, súčasť Roskosmosu) dokončil vytvorenie modernizovaného systému elektrickej ochrany pre domácu výrobu solárnych panelov. Jeho použitie výrazne predĺži životnosť napájacích zdrojov. kozmická loď a urobia z ruských solárnych panelov jedny z energeticky najúčinnejších na svete. O vývoji informuje tlačová správa, ktorú redakcia dostala.
Dizajn nových použitých diód je patentovaný technické riešenia, čo výrazne zlepšilo ich výkonové charakteristiky a zvýšilo ich spoľahlivosť. Použitie špeciálne vyvinutej viacvrstvovej dielektrickej izolácie kryštálu teda umožňuje dióde odolávať spätnému napätiu až do 1,1 kilovoltu. Vďaka tomu je možné použiť novú generáciu ochranných diód s najúčinnejšími dostupnými fotovoltaickými konvertormi (PVC). Predtým, keď boli diódy nestabilné voči vysokému spätnému napätiu, bolo potrebné vybrať nie najefektívnejšie vzorky.
Pre zvýšenie spoľahlivosti a životnosti diód RKS vytvorila nové viacvrstvové spínacie zbernice pre diódy na báze molybdénu, vďaka ktorým diódy vydržia viac ako 700 tepelných šokov. Tepelný šok je typická situácia pre solárne články vo vesmíre, kedy sa pri prechode z osvetlenej časti obežnej dráhy do zatienenej časti Zeme zmení teplota v priebehu niekoľkých minút o viac ako 300 stupňov Celzia. Štandardné komponenty pozemných solárnych batérií to nevydržia a životnosť vesmírnych batérií je do značnej miery daná počtom tepelných šokov, ktoré dokážu prežiť.
Aktívna životnosť solárnej batérie kozmickej lode vybavenej novými diódami sa zvýši na 15,5 roka. Dióda môže byť uložená na Zemi ešte 5 rokov. Celková záručná doba na diódy novej generácie je teda 20,5 roka. Vysokú spoľahlivosť zariadenia potvrdzujú nezávislé testy životnosti, počas ktorých diódy vydržali viac ako sedemtisíc tepelných cyklov. Osvedčená technológia skupinovej výroby umožňuje RKS vyrábať viac ako 15 tisíc diód novej generácie ročne. Ich dodávky sa plánujú začať v roku 2017.
Nové solárne články vydržia až 700 teplotných zmien o 300 stupňov Celzia a budú schopné pracovať vo vesmíre viac ako 15 rokov
Solárne batérie do vesmíru pozostávajú z fotovoltaických konvertorov (PVC) s rozmermi 25x50 milimetrov. Plocha solárnych panelov môže dosiahnuť 100 metrov štvorcových(Pre orbitálne stanice), preto môže byť v jednom systéme veľa solárnych článkov. FEP sú usporiadané v reťazcoch. Každý jednotlivý reťazec sa nazýva "reťazec". Vo vesmíre sú jednotlivé solárne články periodicky poškodzované kozmickým žiarením a ak by nemali žiadnu ochranu, potom by mohla zlyhať celá solárna batéria, v ktorej sa postihnutý menič nachádza.
Základ systému ochrany solárnych batérií tvoria diódy - malé zariadenia inštalované doplnené solárnymi článkami. Keď solárna batéria čiastočne alebo úplne spadne do tieňa, solárne články namiesto toho, aby do batérií dodávali prúd, ho začnú spotrebovávať – cez solárne články preteká spätné napätie. Aby sa tomu zabránilo, je na každom FV článku nainštalovaná bočná dióda a na každej „reťazci“ je nainštalovaná blokovacia dióda. Čím je solárny článok účinnejší, čím väčší prúd vyprodukuje, tým väčšie bude spätné napätie, keď solárny panel vstúpi do zemského tieňa.
Ak bočná dióda „nevytiahne“ spätné napätie nad určitú hodnotu, bude potrebné znížiť účinnosť solárnych článkov, aby bol dobíjací prúd batérií vpred aj spätný prúd neželaného vybitia minimálny. Keď v priebehu času pod vplyvom destabilizujúcich faktorov vo vesmíre jednotlivé solárne články alebo „reťazec“ okamžite zlyhajú, takéto prvky sa jednoducho odrežú bez ovplyvnenia fungujúcich solárnych článkov a iných „reťazcov“. To umožňuje, aby zostávajúce, stále fungujúce konvertory pokračovali v práci. Od kvality diód teda závisí energetická účinnosť a aktívna životnosť solárnej batérie.
V ZSSR sa na solárnych batériách používali iba blokovacie diódy, ak došlo k poruche jedného solárneho článku, okamžite vypli celý reťazec meničov. Z tohto dôvodu bola degradácia solárnych panelov na sovietskych satelitoch rýchla a nefungovali veľmi dlho. To nás prinútilo častejšie vyrábať a spúšťať zariadenia na ich výmenu, čo bolo veľmi drahé. Od 90. rokov 20. storočia sa pri vytváraní domácich kozmických lodí začali používať solárne články zahraničnej výroby, ktoré sa kupovali zmontované s diódami. Otočiť situáciu sa podarilo až v 21. storočí.
V nasledujúcich rokoch sa o solárnu energiu vo vesmíre začalo zaujímať mnoho krajín vrátane Japonska, Číny a niekoľkých európskych krajín.
„Veľa ľudí sa o to zaujímalo, ale vtedy bolo oveľa menej technických možností a hardvéru,“ hovorí Yaffe.
V roku 2009 tajomník námorníctvo Americký Ray Mabus si stanovil niekoľko cieľov na zníženie závislosti námorníctva na zahraničnej rope a zvýšenie jej využívania alternatívne zdroje energie. V tom istom roku Yaffe získal finančné prostriedky od amerického námorného výskumného laboratória na zlepšenie technológie, ktorá by premieňala slnečnú energiu zhromaždenú vo vesmíre na inú formu energie, ktorá by sa mohla prenášať na Zem.
Ako technológia funguje?
Hoci technológia potrebuje zlepšenie, základná myšlienka je celkom jednoduchá. Slnko vysiela fotóny, energetické balíčky svetla, všetkými smermi. Bežný solárny panel premieňa tieto fotóny na elektróny jednosmerného elektrického prúdu. Potom sa jednosmerný prúd premení na striedavý a prenesie sa cez elektrickej siete.
Vo vesmíre je veľkým problémom, ako túto energiu dostať do siete.
So solárnymi panelmi vo vesmíre musia vedci nájsť najviac efektívna metóda prevody priamy prúd zo slnečných reflektorov na Zem. Odpoveď: elektromagnetické vlny, ako sú tie, ktoré sa používajú na prenos rádiových frekvencií alebo ohrievanie jedla mikrovlnka.
„Ľudia si nemusia spájať rádiové vlny s prenosom energie, pretože si ich myslia v súvislosti s komunikáciou, rádiami, televízormi alebo telefónmi. Nepovažujú ich za nositeľov energie,“ hovorí Yaffe. Ale vieme, že mikrovlny (druh elektromagnetických vĺn) prenášajú energiu – ich energia ohrieva naše jedlo.
Yaffe nazýva technológiu, na ktorej pracuje na „sendvičovom“ module. Obrázok nižšie ukazuje zrkadlové slnečné reflektory, ktoré sústreďujú fotóny zo Slnka na rad sendvičových modulov. Vrch sendviča prijíma slnečnú energiu. Antény na spodnom bočnom lúči vysielajú rádiové vlny na Zem. 
Obrázok vyššie nie je v mierke. Sendvičové moduly by mali mať dĺžku tri metre, ale bude ich potrebných asi 80 000 modulov, ktoré budú mať dĺžku deväť futbalových ihrísk, približne kilometer. To je deväťkrát viac ako .
Späť na Zemi budú rádiové frekvencie obsahujúce energiu z vesmírnych solárnych panelov prijímané špeciálnou anténou - rectenna - ktorá môže mať priemer tri kilometre.
„Bude to vyzerať ako pole posiate drôtmi. Tieto prvky rectenna budú prijímať prichádzajúce rádiové vlny a premieňať ich na elektrinu,“ hovorí Yaffe.
Silný lúč rádiových vĺn môže byť vyslaný na akékoľvek miesto na Zemi, pretože smer lúča sa dá zmeniť pomocou techniky nazývanej retrodirective beam control. Stačí vyslať „pilotný signál“ zo stredu prijímacej stanice. Satelit vidí signál a prekonfiguruje vysielač na vysielanie rádiových vĺn do pozemskej stanice.
Obrovskou výhodou takéhoto systému pre armádu aj civilistov by bola možnosť prenášať energiu na vzdialené základne a miesta, kde by bolo logisticky náročné a neskutočne drahé dodávať naftu.
Obrovský lúč energie z vesmíru
Obrovský lúč rádiových vĺn prichádzajúci z vesmíru na Zem by vystrašil väčšinu ľudí, ktorí videli mimozemskú loď používať takéto lúče na vyhodenie miest do vzduchu. V skutočnosti však voľným okom neuvidíte ani rádiový lúč – rádiové signály prúdia okolo nás všade a na všetky strany.
Hoci tieto rádiové signály obsahujú viac energie ako televízny alebo rádiový signál, hustota signálu bude stále dosť nízka a nebude ohrozovať ľudí, lietadlá ani vtáky, ktoré cez ne prelietavajú. Samozrejme, technológia ešte nebola testovaná mimo laboratória, takže zatiaľ neexistujú žiadne reálne dôkazy o jej bezpečnosti.
Hlavným problémom takéhoto systému zostáva jeho cena. A tento problém sa týka všetkých zúčastnených strán, či už ide o štátne, súkromné alebo komerčné finančné fondy.
Je ťažké povedať, koľko bude stáť úplná implementácia vesmírneho solárneho systému, ale jednoznačne nie menej ako stovky miliónov dolárov. Existuje určitý limit, aký veľký objekt môžeme vystreliť do vesmíru a ani rakety nie sú lacné. Medzinárodná vesmírna stanica bola napríklad postavená vo vesmíre po kúskoch, pretože neexistovala žiadna dostatočne veľká alebo výkonná raketa, ktorá by vyniesla celý systém do vesmíru.
Cieľom spoločnosti Yaffe je vytvoriť prototyp jednej časti sendvičového modulu, ale nedokončiť projekt. Moduly tiež testuje v kozmických prostrediach, aby sa ubezpečil, že dokážu vydržať a pokračovať v prevádzke v neuveriteľnom slnečnom teple vo vesmíre.
Yaffe sa snaží nájsť sponzorov na financovanie pokračovania svojho projektu. Zdôrazňuje však, že dlhodobé energetické projekty sú náročné na predaj, najmä keď nemôže ľuďom ukázať technológiu v akcii. Yaffe verí, že skutočným motivátorom bude medzinárodná súťaž, ako v 50-tych rokoch, keď Rusko vyvinulo prvý satelit a porazilo Spojené štáty vo vesmírnych pretekoch. Teraz sa zdá, že Japonsko sa plánuje ako prvé zapojiť do tohto projektu.
Aj bez vládneho financovania malé podniky ako Solaren veria, že vesmírne solárne stanice sa v blízkej budúcnosti stanú realitou. Gary Spirnka, generálny riaditeľ Solaren má za sebou dlhú kariéru vo vládnom aj súkromnom vesmírnom inžinierstve. Strávil roky sledovaním toho, ako vláda plánuje a zmrazuje takéto projekty staníc, takže sa viac zaujíma o súkromný sektor.
Pred viac ako šesťdesiatimi rokmi sa začala éra praktickej solárnej energie. V roku 1954 traja americkí vedci predstavili svetu prvé solárne články na báze kremíka. Vyhliadka na získanie bezplatnej elektriny sa realizovala veľmi rýchlo a bola vedúca vedeckých centier po celom svete začali pracovať na vytvorení solárnych elektrární. Prvým „spotrebiteľom“ solárnych panelov bol vesmírny priemysel. Práve tu, viac ako kdekoľvek inde, boli potrebné obnoviteľné zdroje energie, keďže palubné batérie na satelitoch rýchlo vyčerpávali svoje zdroje.
A len o štyri roky neskôr začali solárne panely vo vesmíre svoju neobmedzenú povinnosť. V marci 1958 Spojené štáty vypustili satelit so solárnymi panelmi na palube. O necelé dva mesiace, 15. mája 1958, Sovietsky zväz vypustil Sputnik 3 na eliptickú obežnú dráhu okolo Zeme so solárnymi panelmi na palube.
Prvá domáca solárna elektráreň vo vesmíre
Na spodok a predok Sputnika 3 boli nainštalované kremíkové solárne panely. Toto usporiadanie umožnilo prijímať dodatočnú elektrinu takmer nepretržite, bez ohľadu na polohu satelitu na obežnej dráhe vzhľadom na slnko.
Tretí umelý satelit. Solárny panel je dobre viditeľný
Palubné batérie vyčerpali svoju životnosť do 20 dní a 3. júna 1958 bola väčšina prístrojov inštalovaných na družici bez prúdu. Zariadenie na štúdium žiarenia Slnka, rádiový vysielač, ktorý prijímané informácie posielal na zem, a rádiomaják však fungovali ďalej. Po vybití palubných batérií boli tieto zariadenia kompletne napájané solárnymi panelmi. Rádiový maják fungoval takmer dovtedy, kým satelit v roku 1960 nezhorel v zemskej atmosfére.
Vývoj domácej vesmírnej fotoenergie
Dizajnéri mysleli na napájanie kozmických lodí už v štádiu návrhu úplne prvých nosných rakiet. Batérie sa totiž nedajú vymeniť vo vesmíre, čo znamená, že aktívnu životnosť kozmickej lode určuje len kapacita palubných batérií. Prvý a druhý umelý satelit Zeme bol vybavený iba palubnými batériami, ktoré sa po niekoľkých týždňoch prevádzky vybili. Počnúc tretím satelitom boli všetky nasledujúce kozmické lode vybavené solárnymi panelmi.
Hlavným developerom a výrobcom vesmírnych solárnych elektrární bol výskumno-výrobný podnik Kvant. Solárne panely Kvant sú inštalované takmer na všetkých domácich kozmických lodiach. Na začiatku to boli kremíkové solárne články. Ich výkon bol limitovaný ako danými rozmermi, tak aj hmotnosťou. Potom však vedci z Kvantu vyvinuli a vyrobili prvé solárne články na svete založené na úplne novom polovodiči – arzenide gália (GaAs).
Okrem toho sa do výroby dostali úplne nové héliové panely, ktoré vo svete nemali obdobu. Tento nový produkt sú vysokoúčinné héliové panely na substráte so sieťovou alebo strunovou štruktúrou.
Héliové panely so sieťovinou a výpletom
Silikónové héliové panely s obojsmernou citlivosťou boli navrhnuté a vyrobené špeciálne pre inštaláciu na vesmírnych lodiach s nízkou obežnou dráhou. Napríklad pre ruský segment medzinár vesmírna stanica(kozmickej lode Zvezda) boli vyrobené panely na báze kremíka s obojstrannou citlivosťou a plocha jedného panelu bola 72 m².
Solárna batéria kozmickej lode Zvezda
Flexibilné solárne články s vynikajúcimi charakteristikami špecifickej hmotnosti boli tiež vyvinuté na báze amorfného kremíka a uvedené do výroby: s hmotnosťou iba 400 g/m² tieto batérie vyrábali elektrinu s indikátorom 220 W/kg.
Flexibilná gélová batéria na báze amorfného kremíka
Na zlepšenie účinnosti solárnych článkov sa uskutočnil rozsiahly pozemný výskum a testovanie s cieľom odhaliť negatívne účinky Veľkého vesmíru na héliové panely. To umožnilo prejsť na výrobu solárnych batérií pre rôzne typy kozmických lodí s aktívnou životnosťou až 15 rokov.
Vesmírna loď s misiou Venus
V novembri 1965 s odstupom štyroch dní odštartovali dve kozmické lode Venera 2 a Venera 3 k našej najbližšej susedke Venuši. Išlo o dve absolútne identické vesmírne sondy, ktorých hlavnou úlohou bolo pristáť na Venuši. Obe kozmické lode boli vybavené solárnymi panelmi na báze arzenidu gália, ktoré sa osvedčili na predchádzajúcich kozmických lodiach blízko Zeme. Počas letu všetko vybavenie oboch sond pracovalo bez prerušenia. So stanicou Venera-2 bolo uskutočnených 26 komunikačných relácií a so stanicou Venera-3 63. Potvrdila sa tak najvyššia spoľahlivosť solárnych batérií tohto typu.
V dôsledku porúch v riadiacom zariadení sa stratila komunikácia s Venera 2, ale stanica Venera 3 pokračovala v ceste. Koncom decembra 1965 bola na príkaz zo Zeme dráha korigovaná a 1. marca 1966 stanica dosiahla Venušu.
Údaje získané v dôsledku preletu týchto dvoch staníc boli zohľadnené pri príprave novej misie a v júni 1967 bola k Venuši vypustená nová. automatická stanica"Venera-4". Rovnako ako jej dvaja predchodcovia bola vybavená solárnymi panelmi z arzenidu gália s celkovou plochou 2,4 m². Tieto batérie podporovali prevádzku takmer všetkých zariadení.
Stanica "Venera-4". Nižšie je modul zostupu
18. októbra 1967, keď sa zostupový modul oddelil a vstúpil do atmosféry Venuše, stanica pokračovala vo svojej práci na obežnej dráhe, vrátane funkcie prenosu signálov z rádiového vysielača zostupového vozidla na Zem.
Kozmická loď misie Luna
Solárne batérie na báze arzenidu gália boli Lunokhod-1 a Lunokhod-2. Solárne panely oboch zariadení boli namontované na sklopných krytoch a verne slúžili počas celej doby prevádzky. Navyše na Lunochod-1, ktorého program a zdroje boli navrhnuté na mesiac prevádzky, batérie vydržali tri mesiace, trikrát dlhšie, ako sa plánovalo.
Lunochod-2 pracoval na povrchu Mesiaca niečo vyše štyroch mesiacov, pričom prekonal vzdialenosť 37 kilometrov. Stále by to mohlo fungovať, keby sa zariadenie neprehrialo. Zariadenie spadlo do čerstvého krátera s voľnou pôdou. Dlho som sa šmýkal, ale nakoniec sa mi podarilo vyradiť spiatočku. Keď vyliezol z diery, na kryt so solárnymi panelmi dopadlo malé množstvo zeminy. Na udržanie stanovených tepelných podmienok sa naklonil solárne panely v noci sedeli na hornom kryte hardvérovej priehradky. Po opustení krátera a zatvorení veka spadla pôda z neho na hardvérovú priehradku a stala sa akýmsi tepelným izolátorom. Cez deň teplota vystúpila nad sto stupňov, aparatúra to nevydržala a zlyhala.
Moderné solárne panely vyrábané s použitím naj moderné nanotechnológie, použitie nových polovodičových materiálov umožnilo dosiahnuť účinnosť až 35 % pri výraznom znížení hmotnosti. A tieto nové héliové panely verne slúžia na všetkých zariadeniach vyslaných na obežnú dráhu blízko Zeme aj do hlbokého vesmíru.
Ide o fotovoltické meniče – polovodičové zariadenia, ktoré premieňajú slnečnú energiu na jednosmerný elektrický prúd. Jednoducho povedané, toto sú základné prvky zariadenia, ktoré nazývame „solárne panely“.
Pomocou takýchto batérií fungujú umelé družice Zeme na vesmírnych obežných dráhach. Takéto batérie sa vyrábajú v Krasnodare - v závode Saturn.
Podnik v Krasnodare je súčasťou Federálnej vesmírnej agentúry, no Saturn vlastní spoločnosť Ochakovo, ktorá túto výrobu v 90. rokoch doslova zachránila.
Majitelia Ochakova kúpili kontrolný balík, ktorý takmer pripadol Američanom. Ochakovo tu masívne investovalo, nakúpilo moderné vybavenie, podarilo sa mu udržať špecialistov a teraz je Saturn jedným z dvoch lídrov na ruskom trhu výroby solárnych a dobíjacích batérií pre potreby kozmického priemyslu – civilného aj vojenského. Všetky zisky, ktoré Saturn dostane, zostávajú tu v Krasnodare a idú do rozvoja výrobnej základne.
Všetko to teda začína tu – na stránke tzv. epitaxia v plynnej fáze. V tejto miestnosti sa nachádza plynový reaktor, v ktorom sa na germániovom substráte tri hodiny pestuje kryštalická vrstva, ktorá poslúži ako základ pre budúci solárny článok. Náklady na takúto inštaláciu sú približne tri milióny eur.
Potom má substrát pred sebou ešte dlhú cestu: nanesie sa na obe strany fotobunky. elektrické kontakty(a na pracovnej strane bude mať kontakt „hrebeňový vzor“, ktorého rozmery sú starostlivo vypočítané, aby sa zabezpečil maximálny priechod slnečného svetla), na podklade sa objaví antireflexný povlak atď. - celkovo viac ako dve desiatky technologických operácií na rôznych inštaláciách, kým sa fotobunka stane základom solárnej batérie.
Tu je napríklad fotolitografická inštalácia. Tu sa na fotobunkách vytvárajú „vzory“ elektrických kontaktov. Stroj vykonáva všetky operácie automaticky, podľa daného programu. Tu je vhodné svetlo, ktoré nepoškodzuje fotocitlivú vrstvu fotobunky - ako predtým, v ére analógovej fotografie sme používali „červené“ lampy.
Vo vákuu naprašovacieho zariadenia sa pomocou elektrónového lúča nanášajú elektrické kontakty a dielektriká a aplikujú sa antireflexné povlaky (zvyšujú prúd generovaný fotočlánkom o 30 %).
Fotobunka je pripravená a môžete začať s montážou solárnej batérie. Na povrch fotobunky sú prispájkované prípojnice, aby sa potom navzájom spojili, a na ne sa nalepí ochranné sklo, bez ktorého v priestore, za podmienok žiarenia, fotobunka nemusí vydržať zaťaženie. A hoci je hrúbka skla len 0,12 mm, batéria s takýmito fotočlánkami bude na obežnej dráhe fungovať dlho (viac ako pätnásť rokov na vysokých obežných dráhach).
Elektrické spojenie fotobuniek medzi sebou je uskutočnené striebornými kontaktmi (nazývajú sa tyče) s hrúbkou len 0,02 mm.
Na získanie požadovaného sieťového napätia generovaného solárnou batériou sú fotobunky zapojené do série. Takto vyzerá časť sériovo zapojených fotobuniek (fotoelektrických meničov - to je správne).
Nakoniec je solárny panel zostavený. Tu je zobrazená iba časť batérie - panel vo formáte makety. Na satelite môže byť až osem takýchto panelov, v závislosti od toho, koľko energie je potrebné. Na moderných komunikačných satelitoch dosahuje 10 kW. Takéto panely budú namontované na satelite, v priestore sa otvoria ako krídla a s ich pomocou budeme sledovať satelitnú televíziu, využívať satelitný internet, navigačné systémy (satelity GLONASS využívajú solárne panely Krasnodar).
Keď je kozmická loď osvetlená Slnkom, elektrina generovaná solárnou batériou napája systémy kozmickej lode a prebytočná energia sa ukladá do batérie.
Keď je kozmická loď v tieni Zeme, zariadenie využíva elektrinu uloženú v batérii. Nikel-vodíková batéria s vysokou energetickou kapacitou (60 W h/kg) a takmer nevyčerpateľným zdrojom je široko používaná na kozmických lodiach. Výroba takýchto batérií je ďalšou súčasťou práce závodu Saturn.
Táto fotografia ukazuje zostavu nikel-vodík batérie vyrobil Anatolij Dmitrievič Panin, držiteľ medaily Rádu za zásluhy o vlasť, II.
Oblasť montáže nikel-vodíkovej batérie. Obsah batérie je pripravený na umiestnenie do puzdra. Náplňou sú kladné a záporné elektródy oddelené separačným papierom - práve v nich dochádza k transformácii a akumulácii energie.
Zariadenie na zváranie elektrónovým lúčom vo vákuu, ktoré sa používa na výrobu puzdra batérie z tenkého kovu.
Priestor dielne, kde sa testujú kryty a diely batérií na vysoký tlak.
Vzhľadom na to, že hromadenie energie v batérii je sprevádzané tvorbou vodíka a zvyšuje sa tlak vo vnútri batérie, je testovanie tesnosti neoddeliteľnou súčasťou procesu výroby batérie.
Puzdro nikel-vodíkovej batérie je veľmi dôležitý detail celého zariadenia pracujúceho vo vesmíre. Puzdro je navrhnuté na tlak 60 kg s/cm2 počas testovania došlo k prasknutiu pri tlaku 148 kg s/cm2.
Batérie s testovanou životnosťou sa nabíjajú elektrolytom a vodíkom a potom sú pripravené na použitie.
Telo nikel-vodíkovej batérie je vyrobené zo špeciálnej kovovej zliatiny a musí byť mechanicky pevné, ľahké a mať vysokú tepelnú vodivosť. Batérie sú inštalované v článkoch a navzájom sa nedotýkajú.
Nabíjateľné batérie a batérie z nich zostavené sú podrobované elektrickým testom vo vlastných výrobných zariadeniach. Vo vesmíre už nebude možné nič opraviť ani vymeniť, preto je tu každý produkt starostlivo testovaný.
Všetky vesmírne technológie sú testované mechanické vplyvy pomocou vibračných stojanov, ktoré simulujú zaťaženie pri vypúšťaní kozmickej lode na obežnú dráhu.
Rastlina Saturn vo všeobecnosti urobila najpriaznivejší dojem. Výroba je dobre organizovaná, dielne sú čisté a svetlé, pracujúci ľudia sú kvalifikovaní, komunikácia s takýmito odborníkmi je pre človeka, ktorý sa aspoň do určitej miery zaujíma o náš priestor, potešením a veľmi zaujímavým.
