Космические солнечные батареи: Солнечные батареи в космосе: эффективность, виды, тенденции

Солнечные батареи в космосе: от идеи к воплощению

Единственным источником электрической энергии, размещенным на борту первого искусственного спутника Земли, являлась батарея серебряно-цинковых аккумуляторов. Она применялась для питания несложного радиопередатчика, транслировавшего в эфир прерывистые сигналы. Такое решение позволяло выполнить экспериментальный полет, но для сколько-нибудь продолжительного пребывания на орбите оно категорически не подходило. По этой причине уже весной 1958 года на спутниках начали устанавливать батареи солнечные — легкие и достаточно эффективные источники энергии, без которых освоение как ближнего, так и дальнего космоса стало бы невозможным.

Появление фотоэлементов

В 1839 году Александр Эдмон Беккерель, впоследствии ставший одним из наиболее известных французских физиков, заметил, что при воздействии света на «утопленные» в электролите пластины из платины гальванометр регистрирует появление тока. Разумеется, говорить о создании хотя бы даже прототипа солнечной батареи в данном случае не приходится, но сам по себе эффект прямого преобразования одной формы энергии в другую был замечен и зафиксирован.

В 1873 году британский инженер Уиллоби Смит, пытаясь сконструировать устройство для проверки подводных кабелей, обнаружил, что используемые им селеновые стержни обладают странной особенностью — при попадании на них света электропроводность материала буквально «подскакивает». Дальнейшее изучение этого явления, осуществленное американским изобретателем Чарльзом Фриттсом, позволило спустя десятилетие создать первый фотоэлемент. Электроэнергия генерировалась тонким слоем селена, «зажатого» между медной и золотой поверхностями.

Следует отметить, что физическую природу данного явления удалось объяснить лишь в 1905 году. Это было сделано самым знаменитым ученым всех времен – Альбертом Эйнщтейном. Практическое же применение как фотоэлементов, так и созданных на их основе солнечных батарей долгое время оставалось ограниченным как из-за их относительной дороговизны, так и вследствие низкого коэффициента полезного действия (КПД). Этот важнейший показатель поначалу редко превышал 1%.

Путь на орбиту

К моменту запуска первого спутника идея установки солнечных батарей на космические аппараты уже не являлась новой. К её практической реализации в США приступили в 1954, а в СССР – в 1956 году. В обеих странах основные надежды возлагались на кремниевые фотоэлементы. КПД при этом оставался невысоким — от 4% на первых опытных образцах до 8% для солнечных батарей, выводившихся на орбиту в 1964 году. Этот недостаток компенсировался несколькими ключевыми достоинствами:

• Долгий срок непрерывной работы.
• Отсутствие необходимости в каком-либо «топливе».
• Малый вес.
• Полная автономность.
• Безупречная надежность.

Практическое использование достаточно быстро показало, что микрометеориты хотя и воздействуют на работоспособность солнечных батарей, но крайне незначительно. Куда более значительной проблемой являлся постоянный рост энергопотребления всё более крупных и сложных космических аппаратов.

Новинкой середины 60-х годов прошлого века стала батарея солнечная на основе арсенида галлия. Этот материал позволил существенно повысить начальный КПД (от 14-15% до 20%), сократить потери при нагреве и сделать фотоэлементы менее чувствительными к космической радиации. Практическое применение улучшенных источников питания началось в 1967 году, когда их установили на межпланетной автоматической станции «Венера-4».

В последние годы XX века на космических аппаратах появились батареи, созданные на основе так называемых каскадных элементов. От обычных «ячеек» их отличает многослойность, позволяющая последовательно преобразовать практически весь спектр излучений, создаваемых Солнцем. Основной материал при этом всё тот же — арсенид галлия, размещенный на особой германиевой подложке. Эффект использования новых элементов питания очевиден — объем вырабатываемой энергии заметно увеличился.

Возможные перспективы развития

На Земле, как известно, использование солнечных батарей остается сравнительно незначительным. К примеру, в 2016 году они обеспечили всего 1,3% от общего объема генерации электроэнергии во всем мире. Дело в том, что львиную долю солнечных лучей поглощает атмосфера планеты. При выходе в открытый космос эффективность фотоэлементов, разумеется, резко увеличивается. Таким образом, орбитальные солнечные электростанции потенциально могли бы стать куда более мощными, чем любые наземные установки.

Конечно, выработанную энергию потребуется каким-то образом передать по назначению, то есть на Землю. Для этого можно использовать один из двух альтернативных методов. Один из них предполагает применение микроволн – своего рода «энергетического радио». Сразу же необходимо отметить, что пока что это лишь теория. Даже лабораторные эксперименты еще не проводились. По этой причине невозможно сказать, не окажется ли передаваемый с орбиты «луч» губительным для живых организмов или вредным для атмосферы. Привлекательной стороной применения радиоволн является возможность налаживания энергоснабжения в любой точке планеты, сколь угодно удаленной от благ современной цивилизации.

Второй и пока что более перспективный метод основан на преобразовании света Солнца в инфракрасное излучение мощного лазера. КПД подобного устройства может достигать 80%. Предполагается, что передавать энергию этим способом вначале будут от орбитальной станции на отдельные космические аппараты, а в дальнейшем, возможно, и на Землю.

Разумеется, сооружение подобных объектов потребует огромных затрат. Вывод в околоземное пространство большого количества солнечных панелей и сборка их в единый генерирующий блок приведет к необходимости использования десятков, если не сотен тяжелых ракет, не говоря уже о выполнении сложных монтажных работ. Окупятся ли эти расходы в дальнейшем – пока сказать невозможно. Тем не менее ясно, что рано или поздно человечество просто вынуждено будет перейти к масштабному использованию энергии Солнца, поскольку земные ресурсы конечны.

Космические солнечные батареи и стандарты

Астронавты и космонавты, находящиеся на движущейся по околоземной орбите Международной космической станции (МКС), недавно совершили очередной выход в открытый космос, чтобы подготовить станцию к установке двух новых солнечных батарей. 

Солнечные батареи для МКС

Астронавты американского Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration; NASA; НАСА) Кейт Рубинс и Виктор Гловер 28 февраля начали устанавливать крепежные платформы для высокоэффективных солнечных панелей, которые должны прибыть на Международную космическую станцию в ближайшие месяцы. Астронавт Японского агентства аэрокосмических исследований (Japan Aerospace Exploration Agency; JAXA) Соичи Ногучи вместе с Рубинс завершили установку 5 марта.

Солнечные батареи используются на Международной космической станции в качестве источника электроэнергии уже давно. В настоящее время эксплуатируются восемь панелей. Но после эксплуатации в течение одного-двух десятилетий большинство подобных устройств приходит в негодность. Истекает расчетный срок службы. 

Развитие технологии производства солнечных панелей, стимулируемое стандартами  

В новых панелях используются передовые технологии изготовления солнечных батарей, позволяющие примерно вдвое повысить компактность устройств без снижения мощности относительно ныне используемых панелей. Уже установленные на МКС солнечные батареи останутся на своих местах и продолжат работать. Две новые панели будут размещены над ними под определенным углом.

Первые устройства на солнечной энергии были разработаны и начали использоваться по назначению еще в первом десятилетии 19 века. С тех пор данная технология продолжает совершенствоваться благодаря разработкам, направленным на повышение эффективности, снижение себестоимости и даже улучшение эстетических характеристик солнечных панелей, часто размещаемых на крышах жилых домов. 

Стандарты сыграли значительную роль при разработке, популяризации и поддержке распространения соответствующих технологических достижений, сделав использование солнечной энергетики коммерчески жизнеспособным вариантом организации электроснабжения самых разных объектов: от отдельно стоящего жилого дома до Международной космической станции.

Международные стандарты на космические солнечные батареи

Особого внимания заслуживают международные стандарты, регулирующие использование солнечной энергии космическими системами. Примером служит документ ИСО 21348:2007 «Космическая среда (естественная и искусственная) — Процесс оценки энергетической плотности потока солнечного излучения», разработанный техническим комитетом (ТК) 20 (Самолеты и космические аппараты), действующим в составе Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization; ISO; ИСО).  

Документ позволяет оценивать интенсивность солнечного излучения в контексте определения его пригодности для выработки электроэнергии. Сфера применения стандарта включает, среди прочего, моделирование фактической мощности солнечных батарей при эксплуатации в определенной среде. 

Национальные стандарты на космические солнечные панели

Работа в рассматриваемом направлении ведется и на уровне отдельных государств. Так, Американский институт аэронавтики и астронавтики (American Institute of Aeronautics and Astronautics; AIAA) при поддержке Американского национального института стандартизации (American National Standards Institute; ANSI) подготовил множество основанных на консенсусе стандартов для поддержки успешного развития и использования аэрокосмической техники, включая документы, регламентирующие применение солнечных батарей на космических станциях. 

Например, стандарт AIAA S-112A-2013 «Критерии приемлемости и требования к качеству для электрических компонентов солнечных панелей, предназначенных для эксплуатации в космической среде» устанавливает процедуры оценки качества электродеталей, интегрированных в космические солнечные батареи.

Стандарты на солнечные батареи, предназначенные для эксплуатации на Земле

Многие стандарты содержат рекомендации для солнечных панелей, эксплуатируемых на Земле. Например, документ UL 3703 «Солнечные трекеры (устройства слежения за Солнцем)» фокусируется на технологии, которая позволяет солнечным панелям вращаться и следовать за движением Солнца по небосводу. 

Использование данной технологии приводит к заметному повышению эффективности по сравнению с солнечными панелями, закрепленными статично. Стандарт UL 3703 был разработан организацией Underwriters Laboratories (UL).

Унифицированные стандарты в области солнечной энергии являются ключом к обеспечению рентабельности разработки и использования гелиоэнергетических систем, включая решения, не генерирующие электричество, а используемые для выработки тепла. 

Достижению данной цели способствует распространение документа IAPMO USHGC 1-2018 «Единый кодекс по гидронике (применение жидкостей для охлаждения и нагрева) и геотермальной энергии», представляющего собой унифицированный сборник руководящих указаний на тему использования энергии Солнца для нагрева и охлаждения зданий, применяемых субъектами строительной отрасли.  

Документ разработали специалисты Международной ассоциации руководителей сантехнических служб (International Association of Plumbing and Mechanical Officials; IAPMO) и организации ASTM International. Авторы отмечают, что внедрение IAPMO USHGC 1-2018 приводит к сокращению затрат на обучение обслуживающего персонала и специалистов по установке, а также к минимизации затрат на разработку готовой продукции и, как следствие, общей стоимости для конечных потребителей. 

Теги: ISOИСОНАСАNASAJAXAIAPMO / ANSI USHGC 1-2018космоссолнечные батареисолнечные панелиIAPMOASTM InternationalUL 3703Underwriters LaboratoriesAIAA S-112A-2013AIAAANSIИСО 21348:2007

ESA — обзор SBSP

Включение и поддержка

08.08.2022
6007 просмотра
20 лайков

В последние годы выработка солнечной энергии стала намного дешевле и эффективнее, но независимо от того, насколько сильно развиваются технологии, всегда будут оставаться фундаментальные ограничения: солнечные панели могут генерировать энергию только в дневное время, облака часто мешают и большая часть солнечного света поглощается атмосферой на пути к земле. Что, если бы вместо этого мы могли собирать солнечную энергию в космосе и направлять ее на поверхность?

Космическая солнечная энергия

Солнечный свет в среднем более чем в десять раз интенсивнее в верхних слоях атмосферы, чем внизу у поверхности Земли. А на достаточно высокой орбите солнечный свет будет доступен на постоянной основе, чтобы захватить весь доступный солнечный свет, который можно будет направить на приемные станции по всей планете, где бы это ни было необходимо.

Основная концепция существует уже давно, но она приобрела новую актуальность в связи с потребностью в новых источниках чистой и безопасной энергии, чтобы помочь Европе перейти к миру с нулевым выбросом углерода к 2050 году9.0007

Десятилетия исследований привели к появлению множества концепций, использующих различные формы производства, преобразования и принципы передачи электроэнергии. Так называемый эталонный проект преобразует солнечную энергию в электричество с помощью фотоэлектрических элементов на геостационарной орбите вокруг Земли. Затем энергия передается по беспроводной сети в виде микроволн на частоте 2,45 ГГц на специальные приемные станции на Земле, называемые «ректеннами», которые преобразуют энергию обратно в электричество и подают ее в местную сеть.

Поскольку энергия передается по беспроводной сети, ее можно будет передавать на принимающую станцию, где она требуется, даже на Луну или другие планеты, где легкодоступный источник энергии повысит нашу способность исследовать эти места.

Космическая солнечная энергия

основана на существующих технологических принципах и известной физике, и не требует новых прорывов. Современные телекоммуникационные спутники, передающие телевизионные сигналы и каналы связи с орбиты, в основном представляют собой спутники, излучающие мощность, за исключением гораздо меньших размеров и мощности.

Самая большая проблема заключается в том, что для получения оптимальных и экономически выгодных уровней солнечной энергии необходимые сооружения должны быть очень большими как на Земле, так и в космосе. Одиночный спутник солнечной энергии на геостационарной орбите может простираться более чем на километр в поперечнике, а наземной приемной станции требуется более чем в десять раз больше.

Впечатление художника от спутника солнечной энергии

Потребовались десятки запусков, чтобы построить Международную космическую станцию ​​на низкой околоземной орбите, и, вероятно, потребуется на порядок больше запусков, чтобы собрать спутник на солнечной энергии, который весит многие тысячи тонн. В прошлом из-за высокой стоимости запуска спутники на солнечной энергии не считались экономически конкурентоспособными с наземными решениями.

Но стоимость запуска по всему миру продолжает снижаться, что делает такое строительство экономически целесообразным, а конечным результатом будет постоянно доступный источник чистой энергии. Один спутник на солнечной энергии запланированного масштаба будет генерировать около 2 гигаватт электроэнергии, что эквивалентно мощности обычной атомной электростанции, способной снабжать электроэнергией более миллиона домов. Для производства такого же количества энергии на поверхности Земли потребуется более шести миллионов солнечных панелей.

Дополнительную информацию о космической солнечной энергии можно найти по следующим ссылкам:

• Обоснование подготовительной программы ЕКА по космической солнечной энергии для наземных энергетических нужд

• Как космическая солнечная энергия может спасти планету – Financial Times (видео)

• Будущее микроволнового излучения – US NRL (видео)

• Исследовательская лаборатория ВВС США Проект по инкрементным демонстрациям и исследованиям космической солнечной энергии (SSPIDR)

• UK Space Energy Initiative 

Вернуться на главную страницу веб-сайта

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вы можете поставить лайк только один раз!

Солнечная энергия из космоса? Гамбит Калифорнийского технологического института на 100 миллионов долларов

В 1941 году Исаак Азимов, писатель-фантаст, опубликовал рассказ под названием «Разум». Это была поучительная история о робототехнике и искусственном интеллекте, но теперь ее также помнят за причудливый сеттинг: космическая станция, которая собирала солнечную энергию для отправки на планеты с помощью микроволн. С тех пор космическая солнечная энергия была нестандартной идеей — чем-то, что может изменить мир, если мы когда-нибудь сможем освоить технологию и собрать средства для этого.

Дональд Брен много читал о солнечной энергии, и, поскольку он является одним из самых богатых американских застройщиков, он может помочь собрать средства. Калифорнийский технологический институт только что объявил, что с 2013 года Брен и его жена Бриджит выделили школе более 100 миллионов долларов США, чтобы помочь воплотить фотоэлектрическую энергию с орбиты в реальность.

Это большие деньги, и, что важно, работа растянулась на десятилетие. Команда Калифорнийского технологического института планирует провести первый запуск испытательного массива в конце 2022 или 2023 году9.0007

«Это довольно смело», — говорит Али Хаджимири, профессор электротехники и соруководитель проекта Калифорнийского технологического института по космической солнечной энергии. Длинный график, говорит он, «позволяет рисковать и рисковать. Иногда это окупается, а иногда нет, но когда вы делаете это осознанно и контролируемо, вы получаете то, чего никогда не ожидали. .»

89-летний Брен заработал большую часть своего состояния, оцениваемого от 15,3 до 16,1 млрд долларов, на строительстве офисов и домов в округе Ориндж, Калифорния. Он является основным владельцем легендарного здания MetLife Building в Нью-Йорке. Он также пожертвовал землю и деньги на охрану окружающей среды. Он дает несколько интервью (он отказался говорить для этой истории), и хотя проект Калифорнийского технологического института по космической солнечной энергии был достоянием общественности, его поддержка Бреном до сих пор была секретом.

Высокая околоземная орбита — отличное место для солнечной фермы: солнце никогда не заходит, а облака никогда не формируются. Но для производства значительного количества электроэнергии большинство прошлых проектов были нереально и недоступно большими. Инженеры изобразили гигантские ферменные конструкции, обычно измеряемые километрами или милями, к которым были прикреплены фотоэлектрические панели или зеркала, поглощающие или концентрирующие солнечный свет для преобразования в постоянный ток, а затем передающие его на землю с помощью лазерных или микроволновых лучей. Для создания одной установки могут потребоваться сотни запусков ракет. Это была слишком большая технология, чтобы добиться успеха.

«Что действительно требовалось, чтобы сделать это убедительным, так это изменение парадигмы в технологии», — говорит Гарри Этуотер, профессор прикладной физики и материаловедения им. Говарда Хьюза в Калифорнийском технологическом институте и руководитель проекта. «Вместо того, чтобы весить килограмм на квадратный метр, мы говорим о системах, которые мы можем производить сегодня в диапазоне от 100 до 200 граммов на квадратный метр, и у нас есть дорожная карта для снижения до диапазона от 10 до 20 граммов на квадратный метр. метр».

Как? Без единого шага, но, возможно, самым большим изменением в мышлении стало создание модульных солнечных батарей. Легкие фотоэлектрические элементы на основе арсенида галлия будут прикреплены к «плиткам» — фундаментальной единице конструкции Калифорнийского технологического института, каждая из которых может иметь размер всего 100 квадратных сантиметров, размер десертной тарелки.

Каждая плитка — и это главное — будет собственной миниатюрной солнечной станцией с фотоэлектрическими элементами, крошечными электронными компонентами и микроволновым передатчиком. Плитки будут соединены вместе, чтобы сформировать более крупные «модули», скажем, 60 квадратных метров, а тысячи модулей будут образовывать шестиугольную электростанцию, возможно, 3 км в длину. Но модули не будут даже физически соединены. Никаких тяжелых опорных балок, никаких пучков кабелей, а тем более массы.

«Вы можете думать об этом как о стае рыб, — говорит Этуотер. «Это куча одинаковых независимых элементов, летящих строем».

Передача на приемники на земле будет осуществляться с помощью фазированной решетки — микроволновые сигналы от плиток синхронизируются, чтобы их можно было наводить без движущихся частей.