ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены понятия системы электропитания и фотоэлектрических генераторов, их составляющие и принцип работы. Также рассмотрен вопрос выбора стандартных панелей и отдельных элементов солнечных батарей. В зависимости от характеристик солнечных элементов проанализировано использование новых материалов и различных конструктивно – технологических модификаций фотоэлектрических генераторов.

Ключевые слова: космический аппарат, система электропитания, система генерирования электроэнергии, фотоэлектрические генераторы, солнечные батареи, коэффициент полезного действия.

Изучение и освоение космического пространства требуют разработки и создания космических аппаратов различного назначения. В настоящее время наибольшее практическое применение получают автоматические непилотируемые космические аппараты (КА) для формирования глобальной системы связи, телевидения, навигации и геодезии, передачи информации, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, а также исследования дальнего космоса. Для их создания необходимо обеспечить очень жесткие требования по точности ориентации аппарата в космосе и коррекции параметров орбиты, а это требует повышения энерговооруженности КА, за счет усовершенствования систем генерирования электроэнергии.

Под системой электропитания (СЭ) понимают совокупность оборудования, предназначенного для производства, преобразования, передачи потребителям и распределения между ними электроэнергии. Система включает в себя следующие основные элементы: генераторы или энергоустановки, преобразователи и электрические сети.

По принципу получения электроэнергии на борту КА её источники можно подразделить на две большие группы: химические и физические. Существуют прямые и косвенные способы преобразования энергии в электрическую. К прямым способам преобразования энергии относятся химические источники тока, солнечные и изотопные батареи, к косвенным - статические и динамические одно- или многоконтурные энергоустановки.

Основные источники первичной энергии, потребляемой КА – электрохимическая, солнечная и ядерная. Большинство современных КА используют СЭ на солнечных батареях (фотоэлектрических преобразователях).

Фотоэлектрические генераторы – это устройства, которые преобразуют тепловую солнечную энергию в электрическую энергию постоянного тока путем фотоэффекта. В качестве преобразователей используют полупроводниковые фотоэлементы, последовательное соединение которых представляет собой солнечную батарею.

Солнечная батарея (СБ) может быть сконструирована из стандартных панелей, но поскольку стандартные панели имеют определенную форму и габариты, это обусловливает компоновку солнечных батарей и накладывает ограничения на их размещение в КА. Стандартная панель имеет определенную массу, что позволяет уменьшить суммарную массу солнечных батарей только за счет конструкции, механизмов управления и кабельной сети. Преимуществом таких СБ является низкая стоимость батарей, за счет их унификации.

В случае невозможности использования стандартных панелей, то есть невозможности компоновки на КА батареи, полученной формы и габаритов, СБ выполняют из отдельных элементов. Наибольшее распространение в системах электропитания КА находят кремниевые солнечные элементы в виде тонких пластинок, коэффициент полезного действия которых составляет 21,7 %, граничная температура таких элементов 150 ° C.

Интерес представляют также высокотемпературные солнечные элементы из арсенида галлия и теллурида кадмия, устойчиво работающие при высоких температурах.

Например, современные кремниевые фотоэлементы не работают должным образом при температуре больше 200 ° C, а термостойкость батарей на основе арсенида галлия (GaAs) лучше, чем у кремниевых фотоэлементов. Экспериментальные данные показывают, что батареи на основе арсенида галлия могут нормально работать до 400 ° C, а их КПД равен 26 %.

Кадмий-теллурид (CdTe) — это один из наиболее распространенных альтернативных материалов для производства солнечных батарей. Батареи на основе CdTe обычно имеют низкие затраты на производство и хорошую эффективность при слабом освещении. КПД достигает 27 %, при граничной температуре в 400 ° C.

Также можно предложить использование органических СБ, такие батареи изготавливаются из полимерных материалов, которые обладают свойствами фоточувствительности. Эти батареи могут быть легкими, гибкими и дешевыми в производстве, но их эффективность обычно ниже, чем у батарей на основе неорганических материалов. Существуют два основных вида таких органических СБ: «слоистый», в котором активные компоненты наносятся на подложки отдельными слоями, в состав входят отдельные плёнки на базе диселенида меди/индия/галлия/селена (CIGS), и «гетеропереходный» – это панели из смеси графена и полимера с обычным гетеропереходом. В их структуре присутствует только один фотоактивный слой. Первый вариант наиболее востребован авиационной, космической и оборонной промышленностью, в связи с более высоким КПД, достигающим 25 - 27%. Второй вариант обещает стать настоящим прорывом для наземного коммерческого и бытового использования, за счет низкой стоимости и простоты использования.

В том числе, в зависимости от конкретных условий эксплуатации выпускают различные конструктивно – технологические модификации фотоэлектрических преобразователей с алюминиевым зеркалом на тыльной стороне и со встроенными шунтирующими диодами, для обеспечения защиты от радиации и агрессивного воздействия космического пространства, с целью поддержания электрических характеристик фотоэлектрических преобразователей.

Следовательно, исследования в области новых материалов и технологий приводят к разработке более эффективных и долговечных солнечных батарей. Например, батареи на основе арсенида галлия и кадмия-теллурида обещают повышенную эффективность и работу при высоких температурах, что делает их перспективными для применения в космических условиях. Таким образом, развитие и совершенствование систем генерации электроэнергии является важным направлением для обеспечения эффективной работы космических аппаратов и их дальнейшего использования в исследованиях и коммерческих целях.

Список литературы:

1. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов : учеб. пособие для вузов / Туманов А.В., Зеленцов В.В., Щеглов Г.А. – М. : Изд – во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 341с.
2. Органические солнечные батареи: преимущества, материалы и перспективы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://mywatt.ru/poleznaya-informaciya/organicheskie-solnechnye-batarei-preimucshestva-materialy-i-perspektivy (дата обращения: 08.05.2024)
3. Преимущества И Недостатки Солнечных Элементов На Основе GaAs [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.dsisolar.com/info/advantages-and-disadvantages-of-gaas-solar-cel-54235647.html (дата обращения: 08.05.2024)