Перспективы производства энергии в космосе с помощью солнечных батарей
Эволюция технологии EPS (Electrical Power System) для питания спутников, конечно, не закончилась, напротив, многие аспекты еще предстоит усовершенствовать. Самым динамичным аспектом исследований, безусловно, является тот, который касается солнечных батарей, где предпринимаются усилия по максимальному увеличению производимой энергии.
В предыдущей статье сообщалось, что технология трех спаев (3J) способна улавливать гораздо больше фотонов, чем простые кремниевые элементы. Несмотря на это, теоретический КПД все еще остается на уровне 30%. Это означает, что только треть солнечного излучения, попадающего на элемент, фактически преобразуется в электрическую энергию.
Очень низкое значение, учитывая также тот факт, что соединение ячеек вместе увеличивает коэффициент полезного действия в зависимости от технологии монтажа. Не говоря уже об омических потерях, ухудшении состояния окружающей среды и, прежде всего, температуре. В результате общий КПД падает значительно ниже 30%. Для того чтобы наилучшим образом соответствовать новым требованиям на орбите, исследования продолжаются в двух направлениях: повышение эффективности отдельной ячейки и совершенствование технологии монтажа.
Повышение эффективности отдельной ячейки
Солнечный элемент преобразует энергию движущегося фотона в электроны, поэтому чем больше фотонов он может «преобразовать», тем больше электрического тока и мощности он будет производить. Секция преобразования называется PN-переходом. Каждый спай преобразует в электрическую энергию диапазон фотонов, соответствующий энергетическому зазору в полупроводниковом материале, т.е. соответствующий энергии, необходимой для приведения его электронов в движение.
Например, если фотон имеет энергию 0,7 эВ, он сможет вызвать движение электронов только в полупроводнике, энергетический зазор которого близок к 0,7 эВ. Но насколько близко? Если рассматривать классическую ячейку J3, схема преобразования которой показана на рисунке, то третий J3-переход образован германием, который имеет номинальный энергетический зазор 1 эВ. Однако при правильной работе он способен преобразовывать фотоны до значения 1,8 эВ. Эти менее энергичные фотоны полезны, они по-прежнему производят энергию, но они могут производить больше. Фактически, они находятся на 0,8 эВ от номинального значения зазора, и, несмотря на механическую обработку, они не могут быть преобразованы так же эффективно, как те, которые близки к номинальному значению.
Поэтому сейчас цель состоит в том, чтобы создать как можно больше PN-переходов, чтобы обеспечить адекватное преобразование как можно большего количества фотонов. В идеале на один фотон должен приходиться один переход, однако, даже если бы их было создано бесконечное количество, эффективность все равно составила бы «всего» 68,8% в силу законов термодинамики. Согласно им, ячейка не является черным телом, т.е. не способна поглощать все виды излучения.
Новые типы ячеек
В поисках новых способов повышения эффективности солнечных панелей компания SolAero Technologies разработала инвертированный метаморфический элемент 4J. Главной особенностью этой ячейки является добавление промежуточного перехода между 1 эВ и 1,8 эВ, чтобы менее энергичные фотоны преобразовывались более эффективно. Кроме того, метод «перевернутой» конструкции также улучшает преобразование фотонов, проходящих через переходы.
В двух словах, в отличие от традиционного метода, сначала строится крайний узел, который первым встретит солнце, а затем остальные. Это обеспечивает идеальное сцепление одного материала с другим. Доказано, что продуктивность 4J составляет около 35% и уже продается на рынке, в то время как версии 5J и 6J находятся в разработке, и ожидается, что их продуктивность превысит 38%. Настоящий вызов заключается в том, чтобы вывести эти инновационные ячейки, требующие более дорогих материалов и менее стандартизированной обработки, на ту же рыночную цену, что и 3J.
Новые методы обработки и новые материалы
Другим интересным примером повышения эффективности является извлечение энергии из фотонов с энергией, меньшей, чем энергия полосовой щели. Это результат специальных методов обработки, которые уменьшают зазор в определенной области материала, делая его способным преобразовывать менее энергичные фотоны, попадающие на обработанную область. Обычно они вставляются в средний переход 3J, тем самым лучше преобразуя фотоны в пограничной зоне. Полученные на данный момент выходы составляют около 27%, что, конечно, можно улучшить, но было бы также обнадеживающе, если бы их можно было применить к ячейкам 4J-5J.
Наконец, пример, который в настоящее время применяется только в земной среде, но имеет хорошие перспективы, — органические ячейки из биоразлагаемых фуллеренов. Фуллерены — это аллотропные углеродные вещества, похожие на графит. Они состоят из углеродных цепочек не менее 60 элементов, некоторые из которых при определенных температурах становятся сверхпроводящими. Кроме того, их стоимость низкая из-за легкой доступности сырья и простой обработки. В космосе их применение стало бы прорывом в области развертывания, поскольку ячейки могут быть построены на подложке из легкого, гибкого пластика, который легко складывается и сворачивается. Недостатки: токсичность материала и низкая производительность, около 17%.
Новые монтажные конфигурации
Как упоминалось выше, исследования сосредоточены не только на ячейках, но и на монтажных конфигурациях. Можно сказать, что они сосредоточены на трех различных направлениях:
- Совершенствование существующих технологий
- Объединение уже известных технологий
- Повышение производительности за счет адаптации массива к окружающей среде.
Что касается первого пункта, Orbital-ATK создает развертываемый гибкий массив под названием MegaFlex, способный развертывать круговую геометрию панели в два этапа. Две ступени состоят из удлинения механической руки, а затем удлинения панелей, что позволяет вывести на орбиту большую площадь при той же цене укладки, одновременно повышая прочность всего аппарата. Предусмотрен диаметр 30 метров.
DSS, с другой стороны, разрабатывает систему Mega-ROSA, опять же потому, что инженеры любят интересные приставки, утверждая, что она может производить от 100 до 300 кВт на околоземной орбите. Что касается второго пункта, DSS также работает над проектом SOLAROSA, в рамках которого к разворачиваемой панели добавляются гибкие концентрирующие линзы, которые в идеале должны надуваться при развертывании панели, тем самым устраняя главный недостаток концентрирующих массивов — их громоздкость.
Еще один любопытный проект, рожденный с философией максимального сокращения пространства и веса, касается панелей НАСА LISA, изготовленных из аморфного кремния и расположенных на надувной конструкции. Если вы хотите создать панели, которые можно адаптировать к вашим потребностям, то современной технологией являются электростатически чистые массивы, способные не нарушать окружающую среду в миссиях, требующих измерения электрических полей вблизи спутника, например, зонды, изучающие SEC (Солнце-Земля-Соединение).
Некоторые сотрудники DSS Deployable Space System позируют перед одной из новых солнечных панелей ROSA, устанавливаемых на МКС.
Существуют также панели, которые были модифицированы для того, чтобы выдерживать очень высокие температуры, либо путем введения рядов зеркал между рядами ячеек для отражения солнечного света, либо путем добавления алгоритма смещения от солнца к двигателю, который активируется, когда регистрируется слишком высокая температура. Это решение используется миссией ЕКА BepiColombo на Меркурии, которая выдерживает рабочую температуру 190 °C.
Наконец, изучаются массивы, способные выдерживать насыщенную пылью атмосферу Марса. Первый ровер на Марсе, Sojourner, из миссии Pathfinder в 1996 году, первым столкнулся с этой проблемой: он периодически покрывался пылью и очищался в зависимости от марсианских ветров, создавая различные колебания значений выходной мощности. Были найдены два основных решения: механические приводы, которые удаляют пыль с помощью вибрации, и технология, использующая для этой же цели электрические поля. Обе эти технологии активируются, когда определенный процент ячеек покрывается пылью.
Таким образом, это те проекты, которыми компании занимались в последние годы и которые в более конкретном плане смогут достичь уровня производства, достаточного для выхода в космос. Как и все технологии, попавшие с Земли в космос, они сначала должны пройти через обширные и длительные этапы тестирования. Однако нельзя исключать возможность того, что все эти новые технологические разработки найдут применение и в космосе, на Земле.