Bateriile solare ale navelor spațiale și stațiilor. Mitul centralei solare spațiale

• Centrale fantastice

Nu este un secret pentru nimeni că, în conformitate cu lupta constantă pentru o energie mai productivă, mai ecologică și mai ieftină, omenirea recurge din ce în ce mai mult la surse alternative de energie prețioasă. În multe țări, un număr destul de mare de rezidenți au identificat nevoia de a folosi electricitatea pentru a-și alimenta casele.

Unii dintre ei au ajuns la această concluzie datorită unor calcule dificile de economisire a resurselor materiale, iar unii au fost nevoiți să facă un pas atât de responsabil după împrejurări, dintre care una a fost locația geografică inaccesibilă, provocând lipsa de comunicații fiabile. Dar nu numai în locuri atât de greu accesibile sunt necesare panouri solare. Există granițe mult mai îndepărtate decât marginea pământului - acesta este spațiul. Bateria solară din spațiu este singura sursă de generare cantitatea necesară electricitate.

Bazele energiei solare spațiale

Ideea de a folosi panouri solare în spațiu a apărut pentru prima dată în urmă cu mai bine de jumătate de secol, în timpul primelor lansări de sateliți artificiali de pământ. La vremea respectivă, în URSS, Nikolai Stepanovici Lidorenko, profesor și specialist în domeniul fizicii, în special în domeniul electricității, a fundamentat necesitatea utilizării unor surse de energie nesfârșite pe nave spațiale. O astfel de energie nu putea fi decât energia soarelui, care a fost produsă folosind module solare.

În prezent, toate stațiile spațiale funcționează exclusiv pe cheltuiala energie solara.

Spațiul însuși este de mare ajutor în această problemă, deoarece razele soarelui, atât de necesare procesului de fotosinteză, sunt disponibile din abundență în spațiul cosmic, și nu există interferențe cu consumul lor.

Un dezavantaj al folosirii panourilor solare pe orbita joasă a Pământului poate fi efectul radiațiilor asupra materialului utilizat pentru realizarea plăcii fotografice. Datorită acestui lucru influență negativă se modifică structura celulelor solare, ceea ce duce la o scădere a producției de energie electrică.

Centrale fantastice

În laboratoarele științifice din întreaga lume, o sarcină similară are loc în prezent - căutarea electricității gratuite de la soare. Doar nu la scara unei case sau a unui oraș individual, ci la scara întregii planete. Esența acestei lucrări este de a crea module solare care sunt uriașe ca dimensiune și, în consecință, în producția de energie.

Suprafața unor astfel de module este imensă și plasarea lor pe suprafața pământului va implica multe dificultăți, cum ar fi:

• zone mari și libere pentru instalarea receptoarelor de lumină,
• influența condițiilor meteorologice asupra eficienței modulelor,
• costuri de întreținere și curățare a panourilor solare.

Toate aceste aspecte negative exclud instalarea unei astfel de structuri monumentale pe sol. Dar există o cale de ieșire. Constă în instalarea unor module solare gigantice pe orbită joasă a Pământului. Când o astfel de idee este implementată, umanitatea primește o sursă solară de energie, care este întotdeauna sub influență razele de soare, nu va necesita niciodată deszăpezire și, cel mai important, nu va ocupa spațiu util pe sol.

Desigur, oricine este primul în spațiu își va dicta termenii în sectorul energetic mondial în viitor. Nu este un secret pentru nimeni că rezervele de minerale de pe pământul nostru nu numai că nu sunt nesfârșite, ci, dimpotrivă, fiecare zi ne amintește că omenirea va trebui în curând să treacă cu forța la surse alternative. De aceea, dezvoltarea modulelor solare spațiale pe orbita Pământului se află pe lista sarcinilor prioritare pentru inginerii energetici și specialiștii care proiectează centralele energetice ale viitorului.

Citeste si:

Probleme de plasare a modulelor solare pe orbita pământului

Dificultățile creării unor astfel de centrale electrice nu sunt doar în instalarea, livrarea și desfășurarea modulelor solare pe orbita joasă a Pământului. Cele mai mari probleme sunt cauzate de transmisia generată de modulele solare, curent electric la consumator, adică la pământ. Desigur, nu puteți întinde firele și nu le puteți transporta într-un container. Există tehnologii aproape nerealiste pentru transmiterea energiei pe distanțe fără materiale tangibile. Dar astfel de tehnologii provoacă multe ipoteze controversate în lumea științifică.

in primul rand, o astfel de radiație puternică va afecta negativ o zonă largă de recepție a semnalului, adică o parte semnificativă a planetei noastre va fi iradiată. Ce se întâmplă dacă vor exista o mulțime de astfel de stații spațiale în timp? Acest lucru ar putea duce la iradierea întregii suprafețe a planetei, ducând la consecințe imprevizibile.

În al doilea rând un punct negativ poate fi distrugerea parțială a straturilor superioare ale atmosferei și a stratului de ozon, în locurile în care energia este transferată de la centrală la receptor. Chiar și un copil își poate imagina consecințe de acest fel.

Pe lângă toate, există multe nuanțe de altă natură care sporesc aspectele negative și întârzie lansarea unor astfel de dispozitive. Pot exista multe astfel de situații de urgență, de la dificultatea de a repara panourile în cazul unei defecțiuni neașteptate sau al unei coliziuni cu un corp cosmic, până la problema banală a modului de eliminare a unei structuri atât de neobișnuite după sfârșitul duratei sale de viață.

În ciuda tuturor aspectelor negative, omenirea, după cum se spune, nu are încotro. Energia solară, astăzi, este singura sursă de energie care poate acoperi, teoretic, nevoile tot mai mari de energie electrică ale oamenilor. Niciuna dintre sursele de energie existente în prezent pe pământ nu-și poate compara perspectivele de viitor cu acest fenomen unic.

Perioada aproximativă de implementare

De mult a încetat să fie o întrebare teoretică. Prima lansare a centralei electrice pe orbita pământului este deja programată pentru 2040. Desigur, acesta este doar un model de probă și este departe de structurile globale care sunt planificate a fi construite în viitor. Esența unei astfel de lansări este să vedem în practică cum va funcționa o astfel de centrală electrică în condiții de funcționare. Țara care și-a asumat o misiune atât de dificilă este Japonia. Suprafața estimată a bateriilor, teoretic, ar trebui să fie de aproximativ patru kilometri pătrați.

Dacă experimentele arată că poate exista un astfel de fenomen precum o centrală solară, atunci curentul principal al energiei solare va avea o cale clară pentru dezvoltarea unor astfel de invenții. Dacă aspect economic, nu va putea opri totul în stadiul inițial. Cert este că, conform calculelor teoretice, pentru a lansa pe orbită o centrală solară cu drepturi depline, sunt necesare peste două sute de lansări de vehicule de lansare de marfă. Pentru informarea dumneavoastră, costul unei lansări a unui camion greu, pe baza statisticilor existente, este de aproximativ 0,5 - 1 miliard de dolari. Aritmetica este simplă, iar rezultatele nu sunt liniştitoare.

Cantitatea rezultată este uriașă și va fi folosită doar pentru a livra elementele dezasamblate pe orbită, dar este totuși necesară asamblarea întregului set de construcție.

Pentru a rezuma tot ceea ce s-a spus, se poate observa că crearea unei centrale solare spațiale este o chestiune de timp, dar o astfel de structură poate fi construită doar de superputeri care vor putea suporta întreaga povară economică de la implementare. a procesului.

Acestea sunt convertoare fotovoltaice – dispozitive semiconductoare care transformă energia solară în curent electric continuu. Mai simplu spus, acestea sunt elementele de bază ale dispozitivului pe care îl numim „panouri solare”. Cu ajutorul unor astfel de baterii, ele funcționează pe orbite spațiale. sateliți artificiali Pământ. Astfel de baterii sunt fabricate aici în Krasnodar - la uzina Saturn. Conducerea fabricii l-a invitat pe autorul acestui blog să se uite la proces de fabricațieși spuneți despre asta în jurnalul dvs.

1. Întreprinderea din Krasnodar face parte din Agenția Spațială Federală, dar Saturn este deținută de compania Ochakovo, care a salvat literalmente această producție în anii 90. Proprietarii de la Ochakovo au cumpărat un pachet de control, care aproape a ajuns la americani. „Ochakovo” a pus-o aici fonduri mari, cumparat echipament modern, a reușit să rețină specialiști și acum Saturn este unul dintre cei doi lideri în piata ruseasca producerea de baterii solare și reîncărcabile pentru nevoile industriei spațiale - civile și militare. Toate profiturile pe care le primește Saturn rămân aici în Krasnodar și merg spre dezvoltarea bazei de producție.

2. Deci, totul începe aici - la așa-numitul site. epitaxie în fază gazoasă. În această cameră există un reactor cu gaz, în care un strat cristalin este crescut pe un substrat de germaniu timp de trei ore, care va servi drept bază pentru o viitoare celulă solară. Costul unei astfel de instalații este de aproximativ trei milioane de euro.

3. După aceasta, substratul mai trebuie să treacă prin cursă lungă: contactele electrice vor fi aplicate pe ambele părți ale fotocelulei (mai mult, pe partea de lucru contactul va avea un „model pieptene”, ale cărui dimensiuni sunt atent calculate pentru a asigura trecerea maximă a razelor solare), va avea un strat antireflex. apar pe substrat etc. - un total de peste două duzini de operațiuni tehnologice la diferite instalații înainte ca fotocelula să devină baza bateriei solare.

4. Iată, de exemplu, o instalație de fotolitografie. Aici, pe fotocelule se formează „modele” de contacte electrice. Aparatul efectuează automat toate operațiunile, conform unui program dat. Aici lumina este adecvată, ceea ce nu dăunează stratului fotosensibil al celulei foto - ca și înainte, în era fotografiei analogice, am folosit lămpi „roșii”.

5. În vidul instalației de pulverizare, contactele electrice și dielectricii sunt depuse cu ajutorul unui fascicul de electroni și se aplică și acoperiri antireflectante (măresc curentul generat de fotocelula cu 30%).

6. Ei bine, fotocelula este gata și poți începe asamblarea bateriei solare. Barele colectoare sunt lipite de suprafața fotocelulei pentru a le conecta ulterior unele la altele și a sticla de protectie, fără de care în spațiu, în condiții de radiație, fotocelula poate să nu reziste la sarcină. Și, deși grosimea sticlei este de numai 0,12 mm, o baterie cu astfel de fotocelule va funcționa mult timp pe orbită (pe orbite înalte mai mult de cincisprezece ani).

6a

6b

7. Conectarea electrică a fotocelulelor între ele se realizează cu contacte de argint (se numesc bare) cu o grosime de numai 0,02 mm.

8. Pentru a obține tensiunea de rețea necesară generată de bateria solară, fotocelulele sunt conectate în serie. Așa arată o secțiune de fotocelule conectate în serie (convertoare fotoelectrice - este corect).

9. În sfârșit, bateria solară este asamblată. Aici este afișată doar o parte a bateriei - panoul în format mockup. Pe un satelit pot exista până la opt astfel de panouri, în funcție de cantitatea de energie necesară. Pe sateliții moderni de comunicații atinge 10 kW. Astfel de panouri vor fi montate pe un satelit, în spațiu se vor deschide ca niște aripi și cu ajutorul lor ne vom uita la televiziunea prin satelit, vom folosi internet prin satelit, sisteme de navigație (sateliții GLONASS folosesc panouri solare Krasnodar).

9a

10. Când o navă spațială este iluminată de Soare, electricitatea generată de bateria solară alimentează sistemele navei spațiale, iar excesul de energie este stocat în baterie. Când nava spațială se află în umbra Pământului, dispozitivul folosește electricitatea stocată în baterie. Bateria nichel-hidrogen, având o capacitate energetică mare (60 W h/kg) și o resursă aproape inepuizabilă, este utilizată pe scară largă pe nave spațiale. Producția de astfel de baterii este o altă parte a activității plantei Saturn.

În această fotografie, asamblarea unei baterii cu nichel-hidrogen este efectuată de Anatoly Dmitrievich Panin, deținătorul medaliei Ordinului Meritul pentru Patrie, gradul II.

10a

11. Zona de asamblare a bateriilor nichel-hidrogen. Conținutul bateriei este pregătit pentru a fi plasat în carcasă. Umplerea este electrozi pozitivi și negativi separați de hârtie separatoare - în ei are loc transformarea și acumularea de energie.

12. Instalatie pentru sudarea cu fascicul de electroni in vid, cu ajutorul careia carcasa bateriei este realizata din metal subtire.

13. Secțiunea atelierului în care carcasele și piesele bateriilor sunt testate la impact tensiune arterială crescută.
Datorită faptului că acumularea de energie în baterie este însoțită de formarea hidrogenului, iar presiunea din interiorul bateriei crește, testarea scurgerilor este o parte integrantă a procesului de fabricare a bateriei.

14. Carcasa bateriei nichel-hidrogen este foarte detaliu important a întregului dispozitiv care funcționează în spațiu. Carcasa este proiectata pentru o presiune de 60 kg s/cm 2 in timpul testului, ruptura a avut loc la o presiune de 148 kg s/cm 2;

15. Bateriile testate sunt încărcate cu electrolit și hidrogen, după care sunt gata de utilizare.

16. Corpul unei baterii nichel-hidrogen este realizat dintr-un aliaj metalic special și trebuie să fie rezistent mecanic, ușor și să aibă o conductivitate termică ridicată. Bateriile sunt instalate în celule și nu se ating între ele.

17. Bateriile reîncărcabile și bateriile asamblate din acestea sunt supuse testelor electrice la instalații producție proprie. În spațiu nu se va mai putea corecta sau înlocui nimic, așa că fiecare produs este atent testat aici.

17a

17b

18. Toată tehnologia spațială este supusă unor încercări mecanice folosind suporturi de vibrații care simulează sarcinile la lansarea unei nave spațiale pe orbită.

18a

19. În general, planta Saturn a făcut cea mai favorabilă impresie. Producția este bine organizată, atelierele curate și luminoase, oamenii care lucrează sunt calificați, comunicarea cu astfel de specialiști este o plăcere și foarte interesantă pentru o persoană care este cel puțin într-o oarecare măsură interesată de spațiul nostru. L-a lăsat pe Saturn într-o dispoziție grozavă- Este întotdeauna plăcut să te uiți la un loc aici în care nu se implică în discuții inactiv și nu trimit documente, ci fac o muncă reală, serioasă, concurează cu succes cu producători similari din alte țări. Ar fi mai multe din asta în Rusia.

Fotografii: © drugoi

P.S. Blogul vicepreședintelui de marketing la Ochakovo

În 1945, au fost primite date de informații despre utilizarea dispozitivelor de comunicații radio în armata SUA. Acest lucru a fost raportat lui I.V. Stalin, care a organizat imediat emiterea unui decret privind echiparea armata sovietică prin intermediul comunicațiilor radio. A fost creat Institutul Electro-Galvanic Elemental, numit ulterior „Quantum”. În scurt timp, echipa institutului a reușit să creeze o serie largă de surse de curent necesare comunicațiilor radio.

Nikolai Stepanovici Lidorenko a condus Întreprinderea de cercetare și producție (SPE) „Kvant” între 1950 și 1984.

Din 1950, institutul creează sisteme de generare a energiei pentru proiectul Berkut. Esența proiectului a fost crearea unui sistem apărare antirachetă Moscova folosind rachete antiaeriene. N.S. Lidorenko a fost chemat la a treia direcție principală din cadrul Consiliului de Miniștri și i s-a cerut să conducă lucrările pe acest subiect, care era secret la acea vreme. A fost necesar să se creeze un sistem de alimentare cu energie electrică instalație antiaeriană iar racheta însăși în zbor. Utilizarea dispozitivelor generatoare bazate pe electroliți acizi convenționali într-o rachetă a fost imposibilă. N.S. Lidorenko a stabilit sarcina de a dezvolta surse de curent cu electroliți de sare (nu care conțin apă). Sarea ca electrolit a fost ambalată în formă uscată. În timpul lansării rachetei, squib-ul din interiorul bateriei a fost declanșat la momentul potrivit, căldura a topit sarea și abia după aceea s-a generat un curent electric. Acest principiu a fost folosit în sistemul S-25.

În 1950, către N.S. Lidorenko a fost contactat de Serghei Pavlovich Korolev, care a lucrat la racheta R-2. Zborul unei rachete în mai multe etape se transforma într-unul complex proces tehnologic. Echipa condusă de N.S. Lidorenko, au fost create sisteme de alimentare autonome pentru racheta R-2 și, ulterior, pentru următoarea generație de rachete R-5. Au fost necesare surse de alimentare de mare putere: a fost necesar să se furnizeze energie nu numai circuitelor electrice ale rachetei în sine, ci și încărcături nucleare. În aceste scopuri trebuia să folosească baterii termice.

În septembrie 1955, a început construcția submarinului nuclear K-3. Lenin Komsomol„. Acesta a fost un răspuns forțat la punerea în funcțiune a submarinului nuclear american Nautilus în ianuarie 1955. Bateriile s-au dovedit a fi una dintre cele mai vulnerabile verigi. Ca surse de curent, N.S. Lidorenko a propus utilizarea elementelor pe bază de argint și zinc. Energia Intensitatea bateriei a fost crescută de 5 ori, astfel încât dispozitivele au fost capabile să livreze aproximativ 40.000 de amperi/oră, cu 1 milion de jouli în fascicul, Leninsky Komsomol a intrat în serviciul de luptă sub conducerea lui N.S Lidorenko au fost demonstrate dispozitive cu baterii care s-au dovedit a fi de 3 ori mai puternice decât omologul lor american.

Următoarea etapă a N.S. Lidorenko dezvolta baterii electrice pentru torpile. Dificultatea a fost nevoia de surse de alimentare independente cu un volum mic, dar a fost depășită cu succes.

Un loc special îl ocupă munca de creare a faimosului „șapte” Korolev - racheta R-7. Punctul de plecare în realizarea lucrărilor de amploare la rachete a fost Rezoluția Consiliului de Miniștri al URSS din 13 mai 1946, semnată de I.V. Stalin. În zilele noastre, unii jurnalişti încearcă în mod tendenţios să explice atenţia pe care conducerea ţării noastre a acordat-o proiectelor spaţiale, în primul rând cu interese militare. Acest lucru este departe de a fi adevărat, așa cum demonstrează materialele documentare disponibile din acea vreme. Deși, desigur, au existat și excepții. Fii. Hrușciov a citit memoriile lui S.P. cu neîncredere de mai multe ori. Korolev, dar a fost forțat să ia problema în serios numai după ce președintele KGB a raportat despre lansarea nereușită rachetă americană„Piatra roșie”, din care a rezultat că mașina americană era capabilă să pună pe orbită un satelit de dimensiunea aproximativă a unei portocale. Dar pentru Korolev însuși, a fost mult mai semnificativ faptul că racheta R-7 era capabilă să zboare în spațiu.

La 4 octombrie 1957 a fost lansat cu succes primul satelit artificial al Pământului. Sistemul autonom de alimentare cu energie al satelitului a fost dezvoltat de N.S. Lidorenko.

Al doilea satelit sovietic a fost lansat cu câinele Laika la bord. Sistemele create sub conducerea lui N.S. Lidorenko, a furnizat funcții vitale pe un satelit cu surse multiple de curent pentru diverse scopuriși desene.

În această perioadă N.S. Lidorenko a ajuns să înțeleagă posibilitatea de a folosi o nouă sursă de energie nesfârșită la acel moment - lumina soarelui. Energia solară a fost transformată în energie electrică folosind fotocelule bazate pe semiconductori de siliciu. În acel moment, s-a încheiat un ciclu de lucrări fundamentale în fizică și au fost descoperite fotocelule (fotoconvertitoare), care funcționează pe principiul conversiei radiației fotonice solare incidente.

Această sursă - panourile solare - a fost principala și aproape nesfârșită sursă de energie pentru al treilea satelit artificial sovietic al Pământului - satelitul orbital automat. laborator științific, cântărind aproximativ o tonă și jumătate.

Pregătirile au început pentru primul zbor uman în spațiu. Nopti nedormite, ore lungi de muncă grea... Și acum a sosit această zi. Amintește N.S. Lidorenko: „Cu doar o zi înainte de lansarea lui Gagarin, la Consiliul designerilor șefi, se decide... Ei tac: „Ei, din nou, ce părere aveți?” „Deci Eu iau urinarea ca pe un semn de consimțământ.” Korolev semnează și semnăm cu toții douăsprezece semnături pe spate, iar Gagarin zboară...”

Cu o lună înainte de zborul lui Gagarin - 4 martie 1961 - un focos a fost interceptat pentru prima dată în istorie rachetă strategică. Sursa de energie pentru un tip fundamental de echipament nou - racheta antirachetă V-1000 - a fost o baterie creată de asociația Kvant.

În 1961, au început și lucrările la crearea unei nave spațiale de clasă Zenit - cu sisteme complexe o singură sursă de alimentare din blocuri mari, care includea de la 20 la 50 de baterii.

Ca răspuns la evenimentul din 12 aprilie 1961, președintele american John Kennedy a spus: „Rușii au deschis acest deceniu. Îl vom închide”. Și-a anunțat intenția de a trimite un om pe Lună.

Statele Unite au început să se gândească serios la plasarea armelor în spațiu. La începutul anilor ’60, armata și politicienii americani au făcut planuri de militarizare a Lunii - loc ideal Pentru post de comandăși o bază militară de rachete. Din cuvintele lui Stanley Gardner, comandantul US Air Force: „În două sau trei decenii, Luna, în semnificația ei economică, tehnică și militară, va avea în ochii noștri nu mai puțină valoare decât anumite zone cheie de pe Pământ, pentru de dragul căruia au avut loc principalele ciocniri militare.”

Fizicianul Zh Alferov a efectuat o serie de studii asupra proprietăților semiconductorilor heterostructurali - cristale create de om prin depunerea strat cu strat a diferitelor componente într-un singur strat atomic.

N.S. Lidorenko a decis să implementeze imediat această teorie într-un experiment și tehnică la scară largă. Pe nava spațială automată sovietică - Lunokhod - au fost instalate pentru prima dată în lume baterii solare care funcționau cu arseniură de galiu și erau capabile să reziste temperaturi mari peste 140-150 de grade Celsius. Bateriile au fost instalate pe capacul cu balamale al Lunokhod-ului. Pe 17 noiembrie 1970, la ora 7:20, ora Moscovei, Lunokhod-1 a atins suprafața Lunii. A fost primită o comandă de la Centrul de control al zborului pentru a porni panourile solare. Multă vreme nu a existat niciun răspuns din partea panourilor solare, dar apoi semnalul a trecut, iar panourile solare au funcționat excelent pe toată durata funcționării dispozitivului. În prima zi, Lunokhod a parcurs 197 de metri, în a doua - deja un kilometru și jumătate... După 4 luni, pe 12 aprilie, au apărut dificultăți: Lunokhod a căzut într-un crater... În cele din urmă, un riscant a fost luată decizia - să închidem capacul cu bateria solară și să ne luptăm orbește înapoi. Dar riscul a dat roade.

Aproximativ în același timp, echipa Kvant a rezolvat problema creării unui sistem de termoreglare de precizie, de fiabilitate sporită, care a permis abateri ale temperaturii camerei de cel mult 0,05 grade. Instalația funcționează cu succes în Mausoleul lui V.I. Lenin de mai bine de 40 de ani. S-a dovedit a fi la cerere în mai multe alte țări.

Cea mai importantă etapă din activitățile N.S. Lidorenko a fost crearea de sisteme de alimentare cu energie pentru stațiile orbitale cu echipaj. În 1973, prima dintre aceste stații, stația Salyut, cu aripi uriașe de panouri solare, a fost lansată pe orbită. Aceasta a fost o realizare tehnică importantă a specialiștilor Kvant. Celulele solare erau compuse din panouri cu arseniură de galiu. În timpul funcționării stației pe partea însorită a Pământului, excesul de electricitate a fost transferat bateriilor electrice, iar această schemă a furnizat o aprovizionare cu energie practic inepuizabilă navei spațiale.

De succes și munca eficienta bateriile solare și sistemele de alimentare bazate pe utilizarea lor la stațiile Salyut, Mir și alte nave spațiale au confirmat corectitudinea strategiei de dezvoltare a energiei spațiale propusă de N.S. Lidorenko.

În 1982, echipa Întreprinderii de cercetare și producție „Kvant” a primit Ordinul lui Lenin pentru crearea sistemelor energetice spațiale.

Creat de echipa Kvant, condusă de N.S. Lidorenko, sursele de alimentare putere aproape toate militare și sisteme spațiale tara noastra. Evoluțiile acestei echipe se numesc sistem circulator armele domestice.

În 1984, Nikolai Stepanovici a părăsit postul de designer șef al NPO Kvant. A părăsit o întreprindere înfloritoare, numită „Imperiul Lidorenko”.

N.S. Lidorenko a decis să se întoarcă la știința fundamentală. Ca una dintre direcții, a decis să-l folosească pe a lui Metoda noua soluție aplicată la problema conversiei energiei. Punct de start a devenit faptul că omenirea a învățat să folosească doar 40% din energia generată. Există noi abordări care cresc speranța de a crește eficiența industriei de energie electrică cu 50% sau mai mult. Una dintre ideile principale ale lui N.S. Lidorenko este posibilitatea și necesitatea de a căuta noi surse elementare fundamentale de energie.

Surse de material: Materialul este compilat pe baza datelor publicate anterior în mod repetat în tipărire, precum și pe baza filmului „Capcană pentru soare” (regia A. Vorobyov, difuzat la 19 aprilie 1996)

Funcționarea cu succes și eficientă a panourilor solare și a sistemelor de alimentare cu energie a navelor spațiale pe baza utilizării acestora este o confirmare a corectitudinii strategiei de dezvoltare a energiei spațiale propusă de N.S. Lidorenko.

Bateria solară pe ISS

O baterie solară este mai multe convertoare fotoelectrice combinate (fotocelule) - dispozitive semiconductoare care transformă direct energia solară în curent electric direct, spre deosebire de colectoarele solare care încălzesc materialul de răcire.

Diverse dispozitive care fac posibilă transformarea radiației solare în energie termică și electrică fac obiectul cercetărilor în domeniul energiei solare (din grecescul helios Ήλιος, Helios -). Producția de celule fotovoltaice și colectoare solare se dezvoltă în directii diferite. Panourile solare vin într-o varietate de dimensiuni, de la cele încorporate în microcalculatoare până la cele care ocupă acoperișurile mașinilor și clădirilor.

Poveste

Primele prototipuri de celule solare au fost create de un fotochimist italian origine armeană Giacomo Luigi Chamician.

Pe 25 aprilie 1954, Bell Laboratories a anunțat crearea primelor celule solare pe bază de siliciu care generează curent electric. Această descoperire a fost făcută de trei angajați ai companiei - Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin și Gerald Pearson. Doar 4 ani mai târziu, pe 17 martie 1958, primul cu panouri solare, Vanguard 1, a fost lansat în Statele Unite Doar câteva luni mai târziu, pe 15 mai 1958, Sputnik 3 a fost lansat și în URSS. folosind panouri solare.

Utilizați în spațiu

Bateriile solare sunt una dintre principalele modalități de a genera energie electrică: funcționează mult timp fără a consuma materiale și, în același timp, sunt prietenoase cu mediul, spre deosebire de nucleare și.

Cu toate acestea, atunci când zboară la o distanță mare de Soare (dincolo de orbită), utilizarea lor devine problematică, deoarece fluxul de energie solară este invers proporțional cu pătratul distanței de la Soare. Când zboară spre și, dimpotrivă, puterea panourilor solare crește semnificativ (în regiunea Venus de 2 ori, în regiunea Mercur de 6 ori).

Eficiența fotocelulelor și modulelor

Putere de curgere radiatie solara la intrarea în atmosferă (AM0), este de aproximativ 1366 wați pe metru patrat(vezi și AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). În același timp, puterea specifică a radiației solare în Europa este foarte vreme innorata chiar și în timpul zilei poate fi mai mic de 100 W/m². Folosind panouri solare comune produse industrial, această energie poate fi transformată în energie electrică cu o eficiență de 9-24%. În acest caz, prețul bateriei va fi de aproximativ 1-3 dolari SUA pe watt de putere nominală. Pentru generarea industrială de energie electrică folosind celule solare, prețul pe kWh va fi de 0,25 USD, potrivit Asociației Europene de Fotovoltaic (EPIA), până în 2020, costul energiei electrice generate de sistemele solare va scădea la mai puțin de 0,10 EUR per kW instalații și mai puțin de 0,15 € pe kWh pentru instalații în clădiri rezidențiale.

În 2009, Spectrolab (o subsidiară a Boeing) a demonstrat o celulă solară cu o eficiență de 41,6%. În ianuarie 2011, era de așteptat să intre pe piață celule solare de la această companie cu o eficiență de 39%. În 2011, compania californiană Solar Junction a atins o eficiență de 43,5% pentru o celulă solară de 5,5x5,5 mm, care a fost cu 1,2% mai mare decât recordul anterior.

În 2012, Morgan Solar a creat sistemul Sun Simba din polimetilmetacrilat (plexiglas), germaniu și arseniură de galiu, combinând un concentrator cu un panou pe care este montată o celulă solară. Eficiența sistemului atunci când panoul era staționar era de 26-30% (în funcție de perioada anului și de unghiul la care se află Soarele), de două ori eficiența practică a celulelor solare pe bază de siliciu cristalin.

În 2013, Sharp a creat o celulă solară cu trei straturi de 4x4 mm pe o bază de arseniură de indiu galiu cu o eficiență de 44,4%, și un grup de specialiști de la Institutul Fraunhofer pentru Sisteme de Energie Solară, Soitec, CEA-Leti și Centrul Helmholtz Berlin a creat o fotocelulă folosind lentile Fresnel cu o eficiență de 44,7%, depășind propria sa realizare de 43,6%. În 2014, Institutul Fraunhofer pentru Sisteme de Energie Solară a creat celule solare care, datorită unei lentile care focalizează lumina pe o fotocelulă foarte mică, aveau o eficiență de 46%.

În 2014, oamenii de știință spanioli au dezvoltat o celulă fotovoltaică din siliciu care poate transforma radiația infraroșie de la soare în electricitate.

O direcție promițătoare este crearea de fotocelule bazate pe nanoantene care funcționează prin redresarea directă a curenților induși într-o antenă mică (aproximativ 200-300 nm) de lumină (adică, radiații electromagnetice cu o frecvență de aproximativ 500 THz). Nanoantenele nu necesită materii prime scumpe pentru producție și au o eficiență potențială de până la 85%.

Valori maxime de eficiență ale fotocelulelor și modulelor,
realizate în condiţii de laborator

Tip	Coeficient de conversie fotoelectrică, %
Siliciu
Si (cristalin)	24,7
Si (policristalin)	20,3
Si (transmisie pe peliculă subțire)	16,6
Si (submodul cu peliculă subțire)	10,4
III-V
GaAs (cristalin)	25,1
GaAs (film subțire)	24,5
GaAs (policristalin)	18,2
InP (cristalin)	21,9
Filme subțiri de calcogenuri
CIGS (fotocelula)	19,9
CIGS (submodul)	16,6
CdTe (fotocelula)	16,5
Siliciu amorf/nanocristalin
Si (amorf)	9,5
Si (nanocristalin)	10,1
Fotochimic
Pe baza de coloranti organici	10,4
Pe bază de coloranți organici (submodul)	7,9
Organic
Polimer organic	5,15
Multistrat
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (film subțire)	25,8
a-Si/mc-Si (submodul subțire)	11,7

Factori care afectează eficiența fotocelulelor

Caracteristicile structurale ale fotocelulelor determină o scădere a performanței panourilor cu creșterea temperaturii.

Din caracteristici de performanta panoul fotovoltaic arată că pentru a obține cea mai mare eficiență este nevoie selecție corectă rezistenta la sarcina. Pentru a face acest lucru, panourile fotovoltaice nu sunt conectate direct la sarcină, ci folosesc un controler de control al sistemului fotovoltaic care oferă modul optim operarea panoului.

Productie

Foarte adesea fotocelulele individuale nu produc suficientă putere. Prin urmare, un anumit număr de fotocelule sunt combinate în așa-numitele module solare fotovoltaice și se montează o armătură între plăcile de sticlă. Acest ansamblu poate fi complet automatizat.



În urmă cu mai bine de șaizeci de ani, a început era energiei solare practice. În 1954, trei oameni de știință americani au prezentat lumii primele celule solare pe bază de siliciu. Perspectiva obținerii de electricitate gratuită s-a realizat foarte repede, iar centrele științifice de top din întreaga lume au început să lucreze la crearea de centrale solare. Primul „consumator” de panouri solare a fost industria spațială. Aici, mai mult decât oriunde, au fost necesare surse de energie regenerabilă, deoarece bateriile de la bord de pe sateliți își epuizau rapid resursele.

Și doar patru ani mai târziu, panourile solare din spațiu și-au început datoria nedeterminată. În martie 1958, Statele Unite au lansat un satelit cu panouri solare la bord. La mai puțin de două luni mai târziu, pe 15 mai 1958, Uniunea Sovietică a lansat Sputnik 3 pe o orbită eliptică în jurul Pământului cu panouri solare la bord.

Prima centrală solară internă din spațiu

Panouri solare de siliciu au fost instalate pe partea de jos și pe nasul Sputnikului 3. Acest aranjament a făcut posibilă primirea de energie electrică suplimentară aproape continuu, indiferent de poziția satelitului pe orbită față de soare.

Al treilea satelit artificial. Panoul solar este clar vizibil

Bateriile de la bord și-au epuizat durata de viață în 20 de zile, iar pe 3 iunie 1958, majoritatea instrumentelor instalate pe satelit au fost scoase de sub tensiune. Totuși, dispozitivul pentru studierea radiațiilor Soarelui, transmițătorul radio care trimitea informațiile primite la sol și radiofarul au continuat să funcționeze. După ce bateriile de la bord s-au epuizat, aceste dispozitive au fost alimentate complet de panouri solare. Radiofarul a funcționat aproape până când satelitul a ars în atmosfera Pământului în 1960.

Dezvoltarea fotoenergiei spațiale domestice

Designerii s-au gândit la alimentarea cu energie pentru nave spațiale chiar și în faza de proiectare a primelor vehicule de lansare. La urma urmei, bateriile nu pot fi înlocuite în spațiu, ceea ce înseamnă că durata de viață activă a unei nave spațiale este determinată doar de capacitatea bateriilor de la bord. Primul și al doilea satelit artificial de pământ au fost echipați doar cu baterii la bord, care au fost epuizate după câteva săptămâni de funcționare. Începând cu al treilea satelit, toate navele spațiale ulterioare au fost echipate cu panouri solare.

Principalul dezvoltator și producător de centrale solare spațiale a fost întreprinderea de cercetare și producție Kvant. Panourile solare Kvant sunt instalate pe aproape toate navele spațiale domestice. La început au fost celule solare de siliciu. Puterea lor a fost limitată atât de dimensiunile date, cât și de greutatea. Dar apoi oamenii de știință Kvant au dezvoltat și fabricat primele celule solare din lume bazate pe un semiconductor complet nou - arseniura de galiu (GaAs).

În plus, au fost puse în producție panouri cu heliu complet noi, care nu aveau analogi în lume. Acest nou produs este reprezentat de panouri de heliu extrem de eficiente pe un substrat cu o structură de plasă sau snur.

Panouri cu heliu cu plasă și snur

Panourile din silicon heliu cu sensibilitate bidirecțională au fost proiectate și fabricate special pentru instalarea pe nave spațiale cu orbită joasă. De exemplu, pentru segmentul rus al internaționalului statie spatiala(a navei spațiale Zvezda), au fost fabricate panouri pe bază de siliciu cu sensibilitate bilaterală, iar suprafața unui panou a fost de 72 m².

Bateria solară a navei spațiale Zvezda

Au fost, de asemenea, dezvoltate pe baza siliciu amorfși au fost introduse în producție baterii solare flexibile cu caracteristici excelente de greutate specifică: cu o greutate de numai 400 g/m², aceste baterii au generat energie electrică cu un indicator de 220 W/kg.

Baterie gel flexibilă pe bază de siliciu amorf

Pentru a crește eficiența celulelor solare, au fost efectuate cercetări ample cercetare la solși teste care au relevat efectele negative ale Big Space asupra panourilor cu heliu. Acest lucru a făcut posibilă trecerea la producția de baterii solare pentru nave spațiale. tipuri variate cu o perioadă de muncă activă de până la 15 ani.

Nava spațială a misiunii Venus

În noiembrie 1965, cu un interval de patru zile, două nave spațiale, Venera 2 și Venera 3, s-au lansat către cel mai apropiat vecin al nostru, Venus. Acestea erau două sonde spațiale absolut identice, a căror sarcină principală era să aterizeze pe Venus. Ambele nave spațiale au fost echipate cu panouri solare pe bază de arseniură de galiu, care s-au dovedit pe navele spațiale anterioare din apropierea Pământului. În timpul zborului, toate echipamentele ambelor sonde au funcționat neîntrerupt. Au fost realizate 26 de sesiuni de comunicare cu stația Venera-2, iar 63 cu stația Venera-3. Astfel, s-a confirmat cea mai mare fiabilitate a bateriilor solare de acest tip.

Din cauza defecțiunilor la echipamentul de control, comunicarea cu Venera 2 s-a pierdut, dar stația Venera 3 și-a continuat drumul. La sfârșitul lunii decembrie 1965, în urma unei comenzi de pe Pământ, traiectoria a fost corectată, iar la 1 martie 1966, stația a ajuns la Venus.

Datele obținute în urma zborului acestor două stații au fost luate în considerare în pregătirea noii misiuni, iar în iunie 1967 a fost lansată o nouă stație automată, Venera-4, spre Venus. La fel ca cei doi predecesori ai săi, ea a fost echipată cu panouri solare cu arseniură de galiu cu suprafata totala 2,4 m². Aceste baterii au susținut funcționarea aproape a tuturor echipamentelor.

Stația „Venera-4”. Mai jos este modulul de coborâre

Pe 18 octombrie 1967, după ce modulul de coborâre s-a separat și a intrat în atmosfera lui Venus, stația și-a continuat activitatea pe orbită, inclusiv servind drept releu de semnale de la transmițătorul radio al vehiculului de coborâre pe Pământ.

Nava spațială a misiunii Luna

Bateriile solare bazate pe arseniura de galiu au fost Lunokhod-1 și Lunokhod-2. Bateriile solare ale ambelor dispozitive au fost montate pe capace rabatabile și au servit fidel pe toată durata de viață. Mai mult, pe Lunokhod-1, al cărui program și resursă au fost concepute pentru o lună de funcționare, bateriile au durat trei luni, de trei ori mai mult decât era planificat.

Lunokhod-2 a lucrat pe suprafața Lunii timp de puțin peste patru luni, acoperind o distanță de 37 de kilometri. Ar putea funcționa în continuare dacă echipamentul nu s-ar fi supraîncălzit. Dispozitivul a căzut într-un crater proaspăt cu pământ afânat. Am derapat mult timp, dar până la urmă am reușit să ies în marșarier. Când a ieșit din groapă, o mică cantitate de pământ a căzut pe capacul cu panouri solare. Pentru a menține un dat regim termicînclinat panouri solare noaptea stăteau pe capacul superior al compartimentului pentru feronerie. După ce a părăsit craterul și a închis capacul, pământul din acesta a căzut pe compartimentul feroneriei, devenind un fel de izolator termic. În timpul zilei temperatura a urcat peste o sută de grade, echipamentul nu a suportat și a eșuat.

Panourile solare moderne, fabricate folosind cele mai noi nanotehnologie, folosind materiale semiconductoare noi, au făcut posibilă atingerea unei eficiențe de până la 35% cu o reducere semnificativă a greutății. Și aceste noi panouri cu heliu servesc fidel pe toate dispozitivele trimise atât pe orbite apropiate de Pământ, cât și în spațiul profund.