- Фантастические электростанции
Не секрет, что в русле постоянной борьбы за более продуктивную, экологическую и дешевую энергию, человечество, все чаще, прибегает к помощи альтернативных источников получения драгоценной энергии. Во многих странах, достаточно обширное количество жителей определили для себя необходимостью использование для снабжения жилища электроэнергией.
Часть из них пришли к такому выводу благодаря трудным расчетам по экономии материальных средств, а некоторых сделать такой ответственный шаг вынудили обстоятельства, одно из которых труднодоступное географическое положение, обуславливающее отсутствие надежных коммуникаций. Но не только в таких труднодоступных местах нужны солнечные батареи. Существуют рубежи намного отдаленнее, нежели край земли - это космос. Солнечная батарея в космосе является единственным источником выработки необходимого количества электроэнергии.
Основы космической солнечной энергетики
Идея применять солнечные батареи в космосе впервые появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников земли. В тот период, в СССР, профессор и специалист в области физики, особенно в сфере электричества - Николай Степанович Лидоренко, обосновал необходимость применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах. Такой энергией могла быть только энергия солнца, которая добывалась с помощью солнечных модулей.
В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счет солнечной энергии.
Большим помощником в этом деле является сам космос, так как солнечные лучи, так необходимые для процесса фотосинтеза в , в избытке имеются в космическом пространстве, и нет никаких помех для их потребления.
Минусом использования солнечных батарей на околоземной орбите, может служить влияние радиации на материал изготовления фотопласти н. Благодаря такому негативному влияния происходит изменение структуры солнечных элементов, что влечет снижение выработки электроэнергии.
Фантастические электростанции
В научных лабораториях всей земли, в настоящее время, происходит схожая задача - поиск бесплатной электроэнергии от солнца. Только не в масштабах отдельного дома или города, а в размерах всей планеты. Суть этой работы состоит в том, чтобы создать огромные по своим размерам, а соответственно и выработкам энергии, солнечные модули.
Площадь таких модулей огромна и размещение их на поверхности земли повлечет много трудностей, таких как:
- значительные и свободные площади для установки приемников света,
- влияние метеоусловий на и КПД модулей,
- затраты на обслуживание и чистку солнечных панелей.
Все эти отрицательные аспекты исключают установку подобного монументального сооружения на земле. Но выход есть. Заключается он в установке гигантских солнечных модулей на околоземной орбите. При воплощении в жизнь такой идеи, человечество получает солнечный источник энергии, который всегда находится под воздействием солнечных лучей, никогда не потребует чистки от снега, и самое главное не будет занимать полезное пространство на земле.
Конечно же, тот, кто первым для космоса, станет в будущем диктовать свои условия в мировой энергетике. Не секрет, что, запасы полезных ископаемых на нашей земле не просто не бесконечен, а наоборот с каждым днем напоминает о том, что скоро человечеству придется переходить на альтернативные источники в принудительном порядке. Именно поэтому, разработки космических солнечных модулей на земной орбите стоит в списке первоочередных задач энергетиков и специалистов, проектирующих электростанции будущего.
Читайте также:
Проблемы размещения солнечных модулей на орбите земли
Трудности рождения таких электростанций, не только в установке, доставке и базировании солнечных модулей на околоземной орбите. Наибольшие проблемы вызывает передача, выработанной солнечными модулями, электрического тока потребителю, то есть на землю. Провода, конечно же, не протянешь, да и перевозить в контейнере не получится. Существуют почти нереальные технологии передачи энергии на расстояния без осязаемых материалов. Но такие технологии вызывают много противоречивых гипотез в научном мире.
Во первых , столь сильное излучение будет негативно влиять на обширную область приема сигнала, то есть будет происходить облучение значительного куска нашей планеты. А если таких космических станций со временем станет очень много? Это может привести к облучению всей поверхности планеты, результатом чего будут непредсказуемые последствия.
Во вторых негативным моментом может быть, частичное разрушение верхних слоев атмосферы и озонового слоя, в местах передачи энергии от электростанции к приемнику. Последствия такого рода, может предположить даже ребенок.
В довесок ко всему, существуют множество нюансов различного характера, увеличивающих отрицательные моменты, и отдаляющих момент запуска подобных устройств. Таких внештатных ситуаций может быть множество, от трудности ремонта панелей, в случае непредвиденной поломки или столкновения с космическим телом, до банальной проблемы - как утилизировать столь необычное сооружение, после окончания срока его эксплуатации.
Несмотря на все негативные моменты, деваться человечеству, как говориться, некуда. Солнечная энергия, на сегодняшний день, единственный источник энергии, который может в теории покрыть растущие потребности людей в электричестве. Ни один из существующих ныне источников энергии на земле, не может сравниться своими будущими перспективами с этим уникальным явлением.
Приблизительные сроки внедрения
Давно перестала быть теоретическим вопросом. На 2040 год уже намечен первый пуск электростанции на земную орбиту.
Конечно, это только пробная модель, и она далека от тех глобальных сооружений, которые планируются построить в дальнейшем. Суть такого запуска - посмотреть на практике - как будет работать такая электростанция в рабочих условиях. Страна, которая взяла на себя столь нелегкую миссию - Япония. Предполагаемая площадь батарей, теоретически, должна составить около четырех квадратных километров.
Если эксперименты покажут, что такое явление как солнечная электростанция может существовать, то основное направление солнечной энергетики получит четкий путь по освоению подобных изобретений. Если экономический аспект, не сможет остановить все дело на начальном этапе. Дело в том, что по теоретическим подсчетам, для того, чтобы вывести на орбиту полноценную солнечную электростанцию, необходимо более двухсот запусков грузовых ракетоносителей. К сведению, стоимость одного запуска тяжелого грузовика, исходя из существующей статистики, составляет примерно 0,5 - 1 миллиард долларов. Арифметика проста, и результаты ее не утешительны.
Получающаяся сумма огромна, и она пойдет только на доставку разобранных элементов на орбиту, а необходимо еще собрать весь конструктор.
Подводя итог всему сказанному, можно отметить, что создание космической солнечной электростанции дело времени, но построить такую конструкцию под силу исключительно сверхдержавам, которые смогут осилить весь груз экономического бремени от реализации процесса.
Это фотоэлектрические преобразователи - полупроводниковые устройства, преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток. Проще говоря, это основные элементы устройства, которое мы называем «солнечными батареями». С помощью таких батарей на космических орбитах работают искусственные спутники Земли. Делают такие батареи у нас в Краснодаре - на заводе «Сатурн». Руководство завода пригласило автора этого блога посмотреть на производственный процесс и рассказать о нем у себя в дневнике.
1. Предприятие в Краснодаре входит в структуру Федерального космического агентства, но владеет «Сатурном» компания «Очаково», которая в буквальном смысле спасла это производство в 90-е годы. Владельцы «Очаково» выкупили контрольный пакет акций, который чуть было не ушел к американцам. «Очаково» вложила сюда большие средства, закупила современное оборудование, сумела удержать специалистов и теперь «Сатурн» - один из двух лидеров на российском рынке производства солнечных и аккумуляторных батарей для нужд космической отрасли - гражданской и военной. Вся прибыль, которую получает «Сатурн», остается здесь, в Краснодаре, и идет на развитие производственной базы.
2. Итак, всё начинается здесь - на участке т.н. газофазной эпитаксии. В этом помещении стоит газовый реактор, в котором на подложке из германия в течение трех часов выращивается кристаллический слой, который будет служить основой для будущего фотоэлемента. Стоимость такой установки - около трех миллионов евро.
3. После этого подложке предстоит пройти еще долгий путь: на обе стороны фотоэлемента нанесут электрические контакты (причем, на рабочей стороне контакт будет иметь «рисунок-гребенку», размеры которой тщательно рассчитываются, чтобы обеспечить максимальное прохождение солнечного света), на подложке появится просветляющее покрытие и т.д. - всего более двух десятков технологических операций на различных установках, прежде чем фотоэлемент станет основой солнечной батареи.
4. Вот, например, установка фотолитографии. Здесь на фотоэлементах формируются «рисунки» электрических контактов. Машина производит все операции автоматически, по заданной программе. Здесь и свет соответствующий, который не вредит светочувствительному слою фотоэлемента - как раньше, в эпоху аналоговой фотографии, мы пользовались «красными» лампами.
5. В вакууме установки напыления с помощью электронного луча наносятся электрические контакты и диэлектрики, а также наносятся просветляющие покрытия (они увеличивают ток, вырабатываемый фотоэлементом на 30%).
6. Ну вот, фотоэлемент готов и можно приступать к сборке солнечной батареи. К поверхности фотоэлемента припаиваются шины, чтобы потом соединить их друг с другом, а на них наклеивается защитное стекло, без которого в космосе, в условиях радиации, фотоэлемент может не выдержать нагрузок. И, хотя толщина стекла всего 0,12 мм, батарея с такими фотоэлементами будет долго работать на орбите (на высоких орбитах больше пятнадцати лет).
6a
6b
7. Электрическое соединение фотоэлементов между собой осуществляется серебряными контактами (их называют шинками) толщиной всего 0,02 мм.
8. Чтобы получить нужное напряжение в сети, вырабатываемое солнечной батареей, фотоэлементы соединяются последовательно. Вот так выглядит секция последовательно соединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей - так правильно).
9. Наконец, солнечная батарея собрана. Здесь показана только часть батареи – панель в формате макета. Таких панелей на спутнике может быть до восьми, в зависимости от того, какая нужна мощность. На современных спутниках связи она достигает 10 кВт. Такие панели будут смонтированы на спутнике, в космосе они раскроются, как крылья и с их помощью мы будем смотреть спутниковое телевидение, пользоваться спутниковым интернетом, навигационными системами (спутники «Глонасс» используют краснодарские солнечные батареи).
9a
10. Когда космический аппарат освещается Солнцем, вырабатываемая солнечной батареей электроэнергия питает системы аппарата, а избыток энергии запасается в аккумуляторной батарее. Когда космический аппарат находится в тени от Земли, аппаратом используется электроэнергия, запасенная в аккумуляторной батарее. Никель-водородная батарея, обладая высокой энергоемкостью (60 Вт ч/кг) и практически неисчерпаемым ресурсом, широко используется на космических аппаратах. Производство таких батарей - еще одна часть работы завода «Сатурн».
На этом снимке сборку никель-водородной аккумуляторной батареи производит кавалер медали ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени Анатолий Дмитриевич Панин.
10a
11. Участок сборки никель-водородных аккумуляторов. Начинка аккумулятора подготавливается к размещению в корпусе. Начинка - это положительные и отрицательные электроды, разделённые сепараторной бумагой - в них и происходит преобразование и накопление энергии.
12. Установка для электронно-лучевой сварки в вакууме с помощью которой изготавливается корпус аккумулятора из тонкого металла.
13. Участок цеха, где корпуса и детали аккумуляторов испытываются на воздействие повышенного давления.
В связи с тем, что накопление энергии в аккумуляторе сопровождается образованием водорода, и давление внутри аккумулятора повышается, испытания на герметичность - неотъемлемая часть процесса изготовления аккумуляторов.
14. Корпус никель-водородного аккумулятора - очень важная деталь всего устройства, работающего в космосе. Корпус рассчитан на давление 60 кг·с/см 2 , при испытаниях разрыв произошел при давлении 148 кг·с/см 2 .
15. Проверенные на прочность аккумуляторы заправляют электролитом и водородом, после чего они готовы к работе.
16. Корпус никель-водородной аккумуляторной батареи изготавливается из специального сплава металлов и должен быть механически прочным, легким и обладать высокой теплопроводностью. Аккумуляторы устанавливаются в ячейки и между собой не соприкасаются.
17. Аккумуляторы и собранные из них батареи подвергаются электрическим испытаниям на установках собственного производства. В космосе уже невозможно будет ничего поправить и заменить, поэтому здесь тщательно испытывают каждое изделие.
17a
17b
18. Вся космическая техника подвергается испытаниям на механические воздействия с помощью вибрационных стендов, которые имитируют нагрузки при выведении космического аппарата на орбиту.
18a
19. В целом завод «Сатурн» произвел самое благоприятное впечатление. Производство хорошо организовано, цеха чистые и светлые, народ работает квалифицированный, общаться с такими специалистами - одно удовольствие и очень интересно человеку, хоть в какой-то степени интересующемуся нашим космосом. Уезжал с «Сатурна» в отличном настроении - всегда приятно посмотреть у нас на место, где не занимаются пустой болтовней и не перекладывают бумажки, а делают настоящее, серьезное дело, успешно конкурируют с такими же производителями в других странах. Побольше бы в России такого.
Фотографии: © drugoi
P.S. Блог вице-президента по маркетингу компании «Очаково»
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.
Солнечная батарея на МКС
Солнечная батарея - несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.
Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος , Helios - ). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.
История
Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком армянского происхождения 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 тремя 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 с солнечными батареями - Vanguard 1. Спустя всего пару месяцев, 15 мая 1958 года в СССР был запущен Спутник-3, также с использованием солнечных батарей.
Использование в космосе
Солнечные батареи - один из основных способов получения электрической энергии на : они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и .
Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой ) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к и , напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).
Эффективность фотоэлементов и модулей
Мощность потока солнечного излучения на входе в атмосферу (AM0), составляет около 1366 ватт на квадратный метр (см. также AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). В то же время, удельная мощность солнечного излучения в Европе 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 %. При этом цена батареи составит около 1-3 долларов США за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. По мнению Европейской Ассоциации Фотовольтаики (EPIA), к 2020 году стоимость электроэнергии, вырабатываемой «солнечными» системами, снизится до уровня менее 0,10 € за кВт·ч для промышленных установок и менее 0,15 € за кВт·ч для установок в жилых зданиях.
В 2009 году компания Spectrolab (дочерняя фирма Boeing) продемонстрировала солнечный элемент с эффективностью 41,6 %. В январе 2011 года ожидалось поступление на рынок солнечных элементов этой фирмы с 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 % превысило предыдущий рекорд.
В 2012 году компания Morgan Solar создала систему Sun Simba из полиметилметакрилата (оргстекла), германия и арсенида галлия, объединив концентратор с панелью, на которой установлен фотоэлемент. КПД системы при неподвижном положении панели составил 26-30 % (в зависимости от времени года и угла, под которым находится Солнце), в два раза превысив 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 %, превзойдя 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%.
В 2014 году испанские учёные разработали фотоэлектрический элемент из кремния, способный преобразовывать в электричество инфракрасное излучение Солнца.
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 потенциальный КПД до 85%.
| Тип | Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % |
|---|---|
| Кремниевые | |
| Si (кристаллический) | 24,7 |
| Si (поликристаллический) | 20,3 |
| Si (тонкопленочная передача) | 16,6 |
| Si (тонкопленочный субмодуль) | 10,4 |
| III-V | |
| GaAs (кристаллический) | 25,1 |
| GaAs (тонкопленочный) | 24,5 |
| GaAs (поликристаллический) | 18,2 |
| InP (кристаллический) | 21,9 |
| 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 |
| Органические | |
| Органический полимер | 5,15 |
| Многослойные | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 |
| GaInP/GaAs | 30,3 |
| GaAs/CIS (тонкопленочный) | 25,8 |
| a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) | 11,7 |
Факторы, влияющие на эффективность фотоэлементов
Особенности строения фотоэлементов вызывают снижение производительности панелей с ростом температуры.
Из рабочей характеристики фотоэлектрической панели видно, что для достижения наибольшей эффективности требуется правильный подбор сопротивления нагрузки. Для этого фотоэлектрические панели не подключают напрямую к нагрузке, а используют контроллер управления фотоэлектрическими системами, обеспечивающий оптимальный режим работы панелей.
Производство
Очень часто одиночные фотоэлементы не вырабатывают достаточной мощности. Поэтому определенное количество фотоэлементов соединяется в так называемые фотоэлектрические солнечные модули и между стеклянными пластинами монтируется укрепление. Эта сборка может быть полностью автоматизирована.
Более шестидесяти лет назад началась эра практической солнечной электроэнергетики. В 1954 году три американских ученых представили миру первые солнечные батареи, полученные на базе кремния. Перспективу получения бесплатной электроэнергии осознали очень быстро, и ведущие научные центры всего мира начали работать над созданием солнечных электроэнергетических установок. Первым «потребителем» солнечных батарей стала космическая отрасль. Именно здесь, как нигде более, нуждались в возобновляемых источниках энергии, так как бортовые батареи на спутниках довольно быстро исчерпывали свой ресурс.
И всего через четыре года солнечные батареи в космосе заступили на бессрочную трудовую вахту. В марте 1958 года США запустили спутник с солнечными батареями на борту. Менее чем через два месяца, 15 мая 1958 года, в Советском Союзе был выведен на эллиптическую орбиту вокруг Земли Спутник-3 с солнечными батареями на борту.
Первая отечественная солнечная электростанция в космосе
Кремниевые панели солнечных батарей были установлены на днище и в носовой части Спутника-3. Такое расположение позволило получать дополнительную электроэнергию практически непрерывно, независимо от положения спутника на орбите относительно солнца.
Третий искусственный спутник. Отчетливо видна солнечная батарея
Бортовые аккумуляторные батареи исчерпали свой ресурс за 20 дней, и 3 июня 1958 года большинство приборов, установленных на спутнике, были обесточены. Однако продолжали работать прибор для изучения излучения Солнца, радиопередатчик, отправляющий на землю получаемую информацию, радиомаяк. После истощения бортовых батарей эти устройства полностью перешли на питание от солнечных батарей. Радиомаяк работал практически тех пор, пока в 1960 году спутник не сгорел в атмосфере Земли.
Развитие отечественной космической фотоэнергетики
Об энергоснабжении космических аппаратов конструкторы задумывались еще на стадии проектирования самых первых ракет-носителей. Ведь в космосе батареи не заменить, значит, срок активной службы космического аппарата обусловлен только емкостью бортовых батарей. Первый и второй искусственные спутники земли были оснащены только бортовыми батареями, которые истощились через несколько недель работы. Начиная с третьего спутника, все последующие космические аппараты были оборудованы солнечными батареями.
Главным разработчиком и изготовителем космических солнечных электростанций было научно-производственное предприятие «Квант». Солнечные панели «Кванта» установлены практически на всех отечественных космических аппаратах. Вначале это были кремниевые солнечные батареи. Их мощность была ограничена как заданными размерами, так и весом. Но затем учеными «Кванта» были разработаны и изготовлены первые в мире солнечные батареи на основе совершенно нового полупроводника – арсенида галлия (GaAs).
Кроме того, были запущены в производство абсолютно новые гелиевые панели, которые не имели аналогов в мире. Этой новинкой стали высокоэффективные гелиевые панели на подложке, имеющей сетчатую или струнную структуру.
Гелиевые панели с сетчатой и струнной подложкой
Специально для установки на космических аппаратах с низкими орбитами были спроектированы и изготовлены кремниевые гелиевые панели с двусторонней чувствительностью. Например, для российского сегмента международной космической станции (космического аппарата «Звезда») были изготовлены панели на кремниевой основе с двусторонней чувствительностью, причем площадь одной панели составляла 72 м².
Солнечная батарея космического аппарата «Звезда»
Были также разработаны на базе аморфного кремния и запущены в производство гибкие солнечные батареи, имеющие прекрасные удельные весовые характеристики: при весе всего 400 г/м² эти батареи вырабатывали электроэнергию с показателем 220 Вт/кг.
Гибкая гелиевая батарея на базе аморфного кремния
Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, в большом объеме проводились наземные исследования и испытания, которые выявляли отрицательные воздействия Большого Космоса на гелиевые панели. Это позволило перейти к изготовлению солнечных батарей для космических аппаратов различных типов со сроком активной работы до 15 лет.
Космические аппараты миссии «Венера»
В ноябре 1965 года с интервалом в четыре дня к нашей ближайшей соседке – Венере – стартовали два космических аппарата – «Венера-2» и «Венера-3». Это были два абсолютно одинаковых космических зонда, основная задача которых состояла в посадке на Венеру. На обоих космических аппаратах были установлены солнечные батареи на основе арсенида галлия, которые хорошо зарекомендовали себя на предыдущих околоземных аппаратах. За время полета вся аппаратура обоих зондов работала бесперебойно. Со станцией «Венера-2» было проведено 26 сеансов связи, со станцией «Венера-3» ─ 63. Таким образом, была подтверждена высочайшая надежность солнечных батарей этого типа.
Из-за сбоев аппаратуры управления была потеряна связь с «Венерой-2», но станция «Венера-3» продолжала свой путь. В конце декабря 1965 по команде с Земли была произведена коррекция траектории, и 1 марта 1966 года станция достигла Венеры.
Данные, полученные в результате полета этих двух станций, были учтены при подготовке новой миссии, и в июне 1967 года к Венере была запущена новая автоматическая станция «Венера-4». Так же, как и две ее предшественницы, она была оборудована арсенид-галлиевыми солнечными батареями общей площадью 2.4 м². Эти батареи поддерживали работу практически всей аппаратуры.
Станция «Венера-4». Внизу – спускаемый аппарат
18 октября 1967 года после отделения спускаемого аппарата и входа его в атмосферу Венеры станция продолжала свою работу на орбите, выполняя в том числе и роль ретранслятора сигналов с радиопередатчика спускаемого аппарата на Землю.
Космические аппараты миссии «Луна»
Солнечными батареями на базе арсенида галлия были «Луноход-1» и «Луноход-2». Солнечные батареи обоих аппаратов были смонтированы на откидывающихся крышках и служили верой и правдой весь срок работы. Причем на «Луноходе-1», программа и ресурс которого были рассчитаны на месяц работы, батареи проработали три месяца, втрое больше запланированного срока.
«Луноход-2» проработал на поверхности Луны чуть более четырех месяцев, пройдя путь в 37 километров. Он мог бы работать еще, если бы не перегрев аппаратуры. Аппарат попал в свежий кратер с рыхлым грунтом. Долго буксовал, но в конце концов смог выбраться на задней передаче. Когда он выбирался из ямы, на крышку с солнечными панелями попало небольшое количество грунта. Для поддержания заданного теплового режима откинутые солнечные панели на ночь опускались на верхнее покрытие аппаратного отсека. После выхода из кратера при закрывании крышки грунт из нее попал на аппаратный отсек, став своеобразным теплоизолятором. Днем температура поднялась выше сотни градусов, аппаратура не выдержала и вышла из строя.
Современные солнечные панели, изготовленные с применением самых современных нанотехнологий, с применением новых полупроводниковых материалов позволили достичь эффективности до 35% при значительном снижении веса. И эти новые гелиевые панели верой и правдой служат на всех аппаратах, отправляемых как на околоземные орбиты, так и в дальний космос.
Загрузка...
