Эковатт: Аккумуляторы и солнечные батареи в космосе. Солнечные батареи в небе, на воде и в космосе Влияние солнечных батарей на космический аппарат

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ). Техническим результатом изобретения является: повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ, упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ, повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит: панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ), шунтирующий диод; коммутирующие шины, соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ, при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

Рисунки к патенту РФ 2525633

Область техники

Уровень техники

К СБ предъявляются следующие требования: максимальная энергетическая эффективность при минимальной массе, сохранение электрических и механических характеристик при хранении, транспортировке на Земле и выводе на расчетную орбиту, длительный срок активного существования (САС) на орбите при минимальной деградации, которая выражается в потере мощности. У современных СБ САС достигает 15 лет и выдвигаются требования по его увеличению до 20 лет.

Основными причинами деградации на орбите являются нарушения структуры активных элементов, а именно фотопреобразователей (ФП) и диодов под действием радиации, а также нарушения, возникающие в результате воздействия изменения температуры, термоциклов. На разных орбитах различен диапазон изменения температуры и частота термоциклов. Для условий эксплуатации на геостационарной орбите верхнее значение температуры +100°C, нижнее - 170°C, количество термоциклов - 2000. На низких орбитах диапазон изменения температуры меньше, верхнее значение +100°C, нижнее - 100°C, но количество термоциклов в течение срока активного существования на орбите составляет несколько десятков тысяч.

Из уровня техники известно (см. Н. S. Rauschenbach. The principles and technology of photovoltaic energy conversion. New York, 1980), что СБ состоит из отдельных генераторов, включающих цепочки солнечных элементов (СЭ), внутри генераторов встречно-параллельно с солнечными элементами устанавливают шунтирующие диоды. Помимо шунтирующих диодов для обеспечения надежной работы СБ применяется диодная защита, которая обеспечивается блокирующими диодами.

В последние годы на смену кремниевым пришли более эффективные солнечные элементы, включающие несколько каскадов гетеропереходов, на основе соединений АзВ5, которые выращены на германиевой подложке (см. P. R. Sharps, М. A. Stan, D. J. Aiken, В. Clevenger, J. S. Hill and N. S. Fatemi. High efficiebcy, multi-junction cells with monolithic bypass diodes, NASA/CP.2005-213431. Page 108-115). Каждый такой СЭ защищается диодом, расположенным с СЭ в одной плоскости, причем диод имеет такую же толщину, как и СЭ. Обычно в СЭ выполнены по углам срезы, в которых размещается диод треугольной формы (см. патенты США на изобретения US 6353176, US 6034322 и заявку США на изобретение US 2008/0000523).

Из уровня техники известна солнечная батарея космических аппаратов, расположенная на углепластиковой сотовой панели. Несущая часть сотовой панели состоит из двух слоев углепластика, между которыми расположен сотовый наполнитель из алюминиевой фольги. На углепластиковую поверхность, предназначенную для монтажа СЭ, наклеивается электроизоляционная пленка. Электрогенерирующая часть солнечной батареи (модули) состоит из солнечных элементов, последовательно или последовательно-параллельно соединенных друг с другом с помощью коммутирующих элементов с термомеханическими компенсаторами. На лицевую поверхность каждого СЭ наклеивается стеклянная пластина (см. GLOBASTAR. Solar Generator Desigh And Layout For Low Earth Orbit Application in Consideration Of Commercial Aspects And Quanlity Production. D-81663 Munich Germany).

К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ. Высокая вероятность повреждения межэлементной коммутации, выступающей над лицевой поверхностью СБ, в процессе ее изготовления и проведения регламентных работ, а также технологическая сложность изготовления межэлементной коммутации, обусловленная необходимостью размещения термомеханических компенсаторов в узких межэлементных зазорах, приводит к малой стойкости СБ к воздействию термических и механических нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является солнечная батарея космических аппаратов, содержащая панели с приклеенными на них модулями, состоящая из последовательно или последовательно-параллельно соединенных с помощью коммутирующих шин СЭ, где коммутирующие шины снабжены термомеханическими компенсаторами, а к лицевой поверхности каждого СЭ приклеена защитная стеклянная пластина, которая снабжена дополнительно приклеенными к плоской или криволинейной поверхности каркаса имеющими заданную форму и размер эластичными элементами, где внутренний объем эластичных элементов заполнен герметиком с образованием выпуклого мениска, а СЭ прижаты к эластичным элементам и зафиксированы неподвижно, а коммутирующие шины с термомеханическими компенсаторами и шунтирующие диоды приварены или припаяны к тыльным контактам СЭ в зонах, свободных от герметика, причем термомеханические компенсаторы расположены между тыльной стороной СЭ и несущей поверхностью каркаса в зонах, свободных от герметика (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2250536).

К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ, плохая стойкость СБ к воздействию механических и термомеханических нагрузок. Молибденовая шина, толщиной 50 мкм и имеющая многослойное специальное покрытие, является очень жесткой. При присоединении коммутирующих шин сваркой ухудшаются электрические характеристики шунтирующих диодов, а в некоторых случаях из-за жесткой шины точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование. При повышенных температурах происходит деградация СЭ после пайки и сварки, что приводит к отслоению контактов от СЭ и, как следствие, выходу из рабочего состояния ячеек СБ.

Из уровня техники известен способ изготовления СБ космических аппаратов с шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, формирование шунтирующих диодов на лицевой стороне СЭ, соединение шунтирующих диодов и СЭ СБ космических аппаратов, соединение с помощью коммутирующих шин СЭ (см. патент США на изобретение US6635507).

К недостаткам известного способа относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации на рабочей и нерабочей сторонах. Кроме того, при присоединении коммутирующих шин сваркой возможно замыкание коммутирующей шиной слоев структуры, а точка сварки вырывается вместе со структурой подложки, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является способ изготовления СБ космических аппаратов с интегрированным шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с углублениями для размещения дискретных шунтирующих диодов, изготовление дискретных шунтирующих диодов на основе полупроводниковой подложки, монтажа дискретных шунтирующих диодов в углубления, контактирование солнечных элементов с шунтирующими диодами с помощью коммутационных шин (см. патент США на изобретение US 5616185).

К недостаткам известного способа изготовления относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации при формировании металлизации нерабочей стороны. Кроме того, при резке на кристаллы на кремниевых монокристаллических подложках образуются трещины, а при присоединении коммутационных шин сваркой точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование (термоудары).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является:

Повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ,

Упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ,

Повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что солнечная батарея малоразмерных космических аппаратов содержит:

Шунтирующий диод;

при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

В предпочтительном варианте толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм, суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм, толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.

Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов включает:

Соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих

при этом коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

В предпочтительном варианте слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°С с предварительной ионной бомбардировкой, а молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.

На фиг.1 представлен СЭ с установленными сбоку с помощью коммутирующих шин шунтирующим диодом.

На фиг.2 схематично представлена послойная структура коммутирующей

На фиг.3 представлен алгоритм способа изготовления СБ КА.

На фиг.4 представлены рассчитанные по экспериментально измеренным деформациям величины внутренних механических напряжений в слоях металлов коммутирующих шин, сформированных при различной температуре молибденовой фольги.

На фиг.4 на графиках в скобках указан оптимальный рабочий диапазон температур молибденовой фольги при напылении. На фиг.1 обозначено следующее:

1 - шунтирующий диод;

2 - коммутирующая шина, соединяющая лицевую сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);

3 - коммутирующая шина, соединяющая обратную сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);

4 - солнечный элемент (СЭ);

На фиг.2 обозначено следующее:

5 - подготовленная молибденовая фольга;

6 - слой ванадия или титана;

7 - слой никеля;

8 - слой серебра.

Осуществление и пример реализации изобретения

Заявленный способ был использован при реализации групповой технологии изготовления солнечных батарей космических аппаратов и состоит из следующей последовательности технологических операций (см. фиг.3): производят изготовление солнечных элементов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление коммутирующих шин, включающее в себя подготовку молибденовой фольги и металлизацию подготовленной молибденовой фольги методом вакуумного магнетронного напыления с двух сторон слоями ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой, затем производят отжиг молибденовой фольги с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра в вакууме при температуре 300-350°C, осуществляют приварку коммутирующих шин к шунтирующим диодам, испытывают шунтирующие диоды на термоциклирование и термоудар, соединяют солнечные элементы с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин и осуществляют выходной контроль солнечной батареи космических аппаратов.

Толщину молибденовой фольги выбирали исходя из наибольшего усилия отрыва приваренной коммутирующей шины к лицевой и обратной сторонам шунтирующего диода после проведения испытаний на термоудар.

Усилие отрыва приваренной коммутирующей шины от шунтирующего диода определяли следующим образом: подготавливали молибденовую фольгу в несколько этапов, после чего производилось утонение молибденовой фольги до следующих толщин: 6±0,1 мкм, 7,5±0,1 мкм, 10±0,1 мкм, 13±0,1 мкм. Затем на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления нанесли с двух сторон слои ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.

После чего молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигали в вакууме при температуре 300-350°C и производили вырубку из молибденовой фольги коммутирующих шин. После чего производили контрольную сварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.1).

Затем производили испытания на термоудар приваренных коммутирующих шин к шунтирующим диодам, заключающийся в проведении 450 циклов термоударов от температуры -180°C (пары жидкого азота) до 120°C на специализированном оборудовании. После чего производилось измерение электрических параметров шунтирующих диодов, которое показало незначительное повышение прямого напряжения на фоне неизменных значений токов утечки и обратного напряжения. Затем производили контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.2).

В результате испытаний выявлено увеличение усилия отрыва у всех вариантов толщин коммутирующих шин от шунтирующих диодов при незначительном изменении электрических характеристик шунтирующих диодов. Исходя из таблицы 2 получено, что оптимальной толщиной молибденовой фольги является 10±0,1 мкм, так как обеспечивается максимальное усилие отрыва шины от шунтирующего диода.

Температуру молибденовой фольги при технологической операции напыления металлов выбирали исходя из минимальных напряжений в получаемой структуре (см. фиг.4). Внутренние напряжения определяли следующим образом: формировали одноконсольные микробалки методом магнетронного напыления металлических пленок V-Ni-Ag на подготовленной молибденовой фольге с фотолитографией и плазмохимическим травлением металлов. Полученные образцы одноконсольных микробалок исследовали с помощью оптического микроскопа Axio Imager фирмы Carl Zeiss при увеличении в 6000х. Проводили измерения размеров балочной конструкции и направление деформации. Форма деформации определялась по отклонению микробалок в различных точках ее длины от поверхности. После чего с помощью математической обработки по формуле Стоуни вычисляли величины напряжения балок. Кривизну балки находили, измеряя отклонение хвостовика одноконсолыюй микробалки. Указанные режимы выбирали исходя из соображений воспроизводимости технологического процесса, которая обеспечивается, если при присоединении коммутирующих шин сваркой точка сварки не вырывается (см. табл.3).

По предложенным конструкции и способу изготовления изготавливали СБ для малоразмерных КА, включающие в себя бескорпусные шунтирующие диоды треугольной формы с обратным напряжением 100 В и прямым током 2 А и каскадные фотопреобразователи на основе соединений А 3 В 5 .

До использования заявленного технического решения использовались серебряные коммутационные шины, которые приваривались к шунтирующим диодам и СЭ. Испытание диодов показало низкую стойкость к термоударам (происходило разрушение структуры после 10-15 термоударов от -180°C до +100°C), причем процент выхода годных диодов по электрическим характеристикам на этапе термоциклирования составлял не более 70% из годных диодов после сборки, а в оставшихся 30% происходило разрушение структуры в зоне приварки (межслойное разрушение по основным материалам при воздействии повышенных и пониженных температур) при контроле прочности сварного соединения. Усилие отрыва металлизации от кристалла составляло 50-100 г/мм 2 , а после использования настоящего технического решения составило более 150 г/мм 2 , в результате чего процент выхода годных диодов на этапе термоциклирования повысился до 85%.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит:

Панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ),

Шунтирующий диод;

Коммутирующие шины, приваренные к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ,

отличающаяся тем, что

коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

2. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм.

3. Солнечная батарея по п.2, отличающаяся тем, что суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм.

4. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.

5. Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов, включающий:

Изготовление солнечных элементов (СЭ) на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с вырезом в углу под шунтирующие диоды,

Изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки,

Изготовление коммутирующих шин,

Приварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов,

Установку шунтирующих диодов в вырезе в углу СЭ,

Соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин,

отличающийся тем, что

коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.

Изобретение относится к энергетическим системам космических объектов, основанным на прямом преобразовании лучистой энергии Солнца в электричество, и может быть использовано при создании космических солнечных батарей (СБ) большой площади. Известны солнечные батареи, содержащие каркас, размещенные на нем фотоэлементы, включающие два проводящих электрода, разделенных зазором, один из которых выполнен светопроницаемым Солнечные батареи на основе полупроводниковых структур различного типа обладают достаточно высоким КПД преобразования солнечной энергии. Недостатками известных СБ, основанных на внутреннем фотоэффекте, являются сложность структуры ФЭП с использованием в ней дефицитных материалов, например арсенида галлия; принципиальная ограниченность снизу толщины ФЭП ввиду многослойной, особенно варизонной, структуры преобразователя с применением подложек,различных оптических и защитных покрытий и вследствие этого относительно большая масса ФЭП, превышающая массу каркаса СБ, выполненного из высокопрочных материалов; чувствительность к воздействию космической среды, в частности к корпускулярным излучениям, что вызывает быструю деградацию рабочих характеристик,снижающую ресурс. В итоге данные недостатки приводят к высокой стоимости электроэнергии, вырабатываемой подобными СБ. Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является выбранная в качестве прототипа космическая солнечная батарея, содержащая несущий каркас, размещенные на нем фотоэлементы, включающие два проводящих электрода, разделенных зазором, один из которых выполнен светопроницаемым В качестве токогенерирующей области, образуемой между поверхностями ФЭП, в такой СБ используется гомо- или гетероструктурный слой (слои), на который нанесены электроды (например,оптический и барьерный) и необходимые покрытия. Токосъемные элементы могут быть выполнены в виде тонких проводящих сеток, образованных на поверхностях электродов. Несущий каркас представляет собой ферменную конструкцию из высокопрочных, например углепластиковых, стержневых элементов, на которую натянут ФЭП в виде гибких панелей на сетчатой подложке, закрепленных на каркасе по периферии. Известная СБ обладает достаточно высоким КПД (практически до 15-20%) и небольшой толщиной гибких панелей СБ (до 100-200 мкм), облегчающей хранение, транспортировку и развертывание СБ в рабочее состояние, например, из рулона. Недостатками известной СБ являются уже отмеченные выше, типичные для полупроводниковых ФЭП. Эти недостатки, в итоге, выражаются в недостаточно высоких удельных энергетических характеристиках (мощность не превышает 0,2 кВт/кг или 0,16 кВт/м 2) и эксплуатационно-технологических характеристиках (значительная за счет ФЭП удельная масса СБ, сложность изготовления, чувствительность к космическим воздействиям и др.), что приводит к повышенной стоимости выработки электроэнергии СБ данного типа. Целью изобретения является повышение удельной электрической мощности на единицу массы при одновременном повышении стойкости к внешним воздействиям в условиях космического пространства. Указанной цель достигается тем, что в космической солнечной батарее, содержащей несущий каркас, размещенные на нем фотоэлементы, включающий два проводящих электрода, разделенных зазором, один из которых выполнен светопроницаемым, на внутренней поверхности одного из электродов размещено покрытие из материала с работой выхода, меньшей работы выхода его материала, причем величина зазора не превышает длины свободного пробега фотоэлектронов. Сущность изобретения состоит в использовании в конструкции предлагаемой СБ в отличие от традиционных принципа внешнего фотоэффекта, при этом один из проводящих электродов выполняет функции фотокатода, из которого фотоэлектроны могут выбиваться преимущественно либо в направлении падающего света с теневой поверхности пленки, либо во встречном направлении с освещенной поверхности пленки. Фотоэлектроны захватываются другой пленкой с проводящим электродом, выполняющей функции анода. Поскольку катодная и анодная пленки выполнены из материалов с различной работой выхода электронов, то при воздействии на СБ светового потока между пленками устанавливается некоторая равновесная разность потенциалов (ЭДС порядка 0,6-0,8 В) при условии, что зазор между пленками меньше длины свободного пробега фотоэлектронов в среде зазора (это условие выполняется для космического вакуума при слабом внешнем магнитном поле). Наиболее существенно то, что проводящие (в том числе металлические) пленки могут быть выполнены гораздо более тонкими, чем полупроводниковые панели СБ порядка 0,5 мкм и менее, так что удельные характеристики предлагаемой СБ оказываются гораздо выше, чем у традиционных СБ. Кроме того, чувствительность электрофизических характеристик предлагаемой СБ к воздействию факторов космической среды (микрометеоритам, корпускулярным излучениям) является значительно более слабой. Производство пленок и сборка из них СБ на несущем каркасе технологически просты, а условия малой гравитации (невесомости) позволяют создавать легкие СБ весьма большой площади, а следовательно, и мощности. Преимущественным вариантом исполнения предлагаемой СБ является конструкция, где каждая из пленок с проводящим электродом выполнена в виде изолированных друг от друга полос, причем полосы разных пленок попарно образуют секции фотоэлектрического преобразователя, объединенные в последовательную цепь, в которой каждая тыльная полоса одной из секций преобразователя электрически связана с ориентируемой к Солнцу полосой соседней секции преобразователя, а токосъемные элементы электрически связаны с тыльной полосой на одном конце цепи и с ориентируемой к Солнцу полосой на противоположном конце цепи. Данная конструкция обладает повышенной технологичностью при построении СБ большой площади. При этом такая конструкция СБ позволяет уменьшить величину тока, протекающего по секциям ФЭП, в расчете на единицу вырабатываемой мощности и тем самым уменьшить толщину пленок, т.е.еще более снизить массу СБ. В предлагаемой СБ на поверхность пленки с проводящим электродом (фотокатода) нанесено покрытие, уменьшающее величину работы выхода электронов из этой пленки. Это можно осуществить, например, путем оксидирования соответствующей металлической (например,алюминиевой) пленки. При расположении анода над фотокатодом первый должен быть светопроницаемым,поэтому в данном варианте предлагаемой СБ проводящая пленка, ориентируемая к Солнцу, может быть выполнена перфорированной или сетчатой структуры с минимально возможным затенением катодной пленки. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема СБ с пленочным фотокатодом, ориентированным к Солнцу; на фиг.2 показана схема СБ с фотокатодом на тыльной поверхности; на фиг.3 показана принципиальная схема СБ с секционированием; на фиг.4 представлена эквивалентная электрическая схема СБ; на фиг.5 представлен вариант конструктивного исполнения СБ. Как показано на фиг.1, СБ содержит размещенные на несущем диэлектрическом каркасе 1 проводящие пленки, одна из которых служит фотоэмиссионным катодом 2, а другая анодом 3. Пленка 2 расположена вдоль поверхности, ориентируемой к солнечному световому потоку 4. Через токосъемные элементы 5 проводящие пленки могут быть подключены к нагрузке 6. По другому варианту исполнения СБ, показанному на фиг.2, фотокатод 2 может располагаться вдоль тыльной поверхности, а анодная пленка 3 выполнена светопроницаемой, в частности перфорированной или изготовленной в виде тонкопроволочной сетки. Материалами электродов могут служить такие металлы, как алюминий, серебро, золото, платина, некоторые сплавы, оксиды щелочных металлов и другие соединения. Различная работа выхода электронов получена для пленок из одного и того же металла за счет оксидирования одной из них или иной поверхностной обработки. Как показано на фиг.3, катодная и анодная пленки могут быть выполнены в виде изолированных друг от друга полос 7 и 8, причем полосы одного типа (анодные) электрически связаны с полосами другого типа (катодными) по контактным стыкам (швам) 9 так, что здесь ФЭП большой площади представляет собой систему (цепь) последовательно связанных электрогенерирующих секций 10 меньших размеров. Каждая секция увеличивает напряжение, подаваемое на нагрузку 6, в соответствии с эквивалентной электрической схемой цепи, показанной на фиг.4. Как показано на фиг.5, конструктивно СБ со схемой по фиг.3 может содержать раскладной или сборный каркас с продольными 11 и поперечными 12 несущими элементами. Фрагменты ФЭП 13 в виде состыкованных разнотипных полос натянуты на каркас с пропусканием их через поперечные элементы 12 и закреплением по кромкам на тех же элементах 12, например, с помощью диэлектрических эластичных полотен (сеток, расчалок и т.п.) 14. Жесткость СБ в развернутом состоянии обеспечивается растяжками 15, стягивающими концы продольных стержневых элементов 11, шарнирно сочлененных в их центральных частях. Функционирование и эксплуатация СБ согласно изобретению осуществляется следующим образом. В космическое пространство выводится либо вся СБ в сложенном виде, либо ее фрагменты, собираемые затем в единую систему. Развернутая в рабочее состояние СБ ориентируется на Солнце одной из своих пленочных поверхностей в зависимости от типа фотокатода (см. фиг.1 и 2). Вследствие возникающей при этом электронной эмиссии в зазоре между пленками появляется электрическое поле, создающее разность потенциалов анодной и катодной пленок, равную разности работ выхода этих пленок. При подключении к СБ через токосъемные элементы 5 некоторой нагрузки 6 в цепи ФЭП возникает электрический ток, обеспечивающий питание нагрузки необходимой электроэнергией. Преимущественная область применения предлагаемых СБ высокие, в частности геостационарные, орбиты, где минимально воздействие атмосферы, магнитного поля планеты и ее гравитационного градиента, что позволяет создавать СБ весьма большой площади, а следовательно, большой мощности. Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения может быть подтверждена следующими оценками. Известно, что КПД энергопреобразования при внешнем фотоэффекте составляет 2-10% Учитывая, что мощность солнечного светового потока у Земли составляет примерно 1,4 кВт/м 2 , электрическая мощность, вырабатываемая единицей поверхности СБ, составит порядка 0,051400 70 Вт/м 2 , если принять КПД 5% Этот показатель заметно хуже, чем у серийных кремниевых СБ, где достигается 110 Вт/м 2 . Однако толщина пленок может быть доведена до 0,5 мкм. Тогда масса 1 м 2 пленки, например, из алюминии составит 110,510 -6 2,710 3 1,3510 -3 кг 1,35 г для толщины 0,5 мкм. Отсюда удельная электрическая мощность (по массе ФЭП) с учетом использования двух пленок составит Для ФЭП с удельной массой 25 10 г/м 2 и каркаса с такой же в среднем удельной массой, т. е. если удельная масса солнечной батареи примерно 20 г/м 2 , удельная электрическая мощность СБ составит Этот основной показатель предлагаемой СБ почти в 20 раз превышает такой же показатель для перспективных полупроводниковых СБ, достигающий 200 Вт/кг, причем для реализации предлагаемой СБ не требуется дефицитных материалов и сложных технологий, поскольку получение очень тонких проводящих пленок является практически освоенным процессом. Стоимость создания предлагаемых СБ следует ожидать на уровне стоимости их выведения на орбиту, а поскольку последняя пропорциональна массе СБ, то выигрыш в стоимости выработки электроэнергии с помощью предлагаемых СБ становится достаточно очевидным. Кроме того, предлагаемые СБ характеризуются более длительным ресурсом и менее жесткими эксплуатационными требованиями. Предлагаемые СБ допускают возможность их эффективного использования в качестве управляющих (солнечно-парусных) органов ориентации и коррекции орбиты космических объектов. Перспективы совершенствования предлагаемых СБ связаны в основном с созданием особо тонких проводящих пленок (менее 0,1 мкм) и сверхлегких несущих каркасов. Соответствующие исследования ведутся в области устройств типа "солнечный парус". Источники информации 1. Колтун М.М. Солнечные элементы. М. Наука, 1987 г. стр.136-154. 2. Грилихес В.А. и др. Солнечная энергия и космические полеты. М. Наука, 1984г. стр.144 (прототип).

В настоящее время в НПП «Квант» ведутся работы по трем основным направлениям развития космической фотоэнергетики и ее элементной базы, а именно:

Создание солнечных батарей на основе монокристаллического кремния

Созданные в НПП «Квант» кремниевые солнечные батареи соответствуют мировому уровню, что было подтверждено при выполнении ряда зарубежных заказов по их изготовлению в интересах Индии, Франции, Голландии, Чехии, Израиля, Китая. Эти батареи обладают:

наивысшей начальной удельной энергетической характеристикой ~ 200Вт/м 2 ;
наименьшей деградацией за срок активного существования;
двусторонней чувствительностью, что используется на низколетящих космических аппаратах и позволяет увеличить выходную мощность солнечных батарей на 10-15 % за счет преобразования альбедо Земли (в частности, солнечные батареи для КА «Заря», «Звезда», российского сектора МКС, СБ для КА «Монитор-Э»).

Создание солнечных батарей на основе многокаскадных фотоэлектрических преобразователей с использованием сложных полупроводниковых материалов на инородных подложках.

С помощью солнечных элементов на основе каскадных сложных гетеропереходных структур, использующих тройные и четвертные соединения АIIIВV, наносимые на инородную полупроводниковую подложку, в настоящее время достигнуты максимальный кпд в условиях космоса, наилучшие результаты по удельной мощности, сроку активного существования и минимальной деградации за этот срок. C помощью подобных солнечных элементов освоен диапазон кпд 25-30%. Для целого класса перспективных космических аппаратов, например, крупных геостационарных платформ, а также космических аппаратов, предназначенных для транспортных операций в космосе с использованием электрореактивных двигательных установок, возможность выполнить современные целевые задачи позволяет только использование подобных высокоэффективных солнечных батарей. Учитывая это, а также используя многолетний опыт проектирования солнечных батарей на основе GaAs, НПП «Квант» развивает работы в указанном направлении.

Создание гибких тонкопленочных солнечных батарей на основе аморфного кремния с максимальной удельной энергомассовой характеристикой и минимальной стоимостью.

Это совершенно новое направление в космической фотоэнергетике. Наиболее перспективным типом таких фотоэлектрических преобразователей в настоящее время являются 3-х-каскадные ФЭП на основе аморфного кремния (a-Si). Первоначально созданные для целей наземной фотоэнергетики солнечные батареи из аморфного кремния в настоящее время рассматриваются для использования в условиях космоса, вследствие:

возможности получения высоких энергомассовых характеристик солнечных батарей, в 4-5 раз выше, чем у солнечных батарей, изготовленных на основе монокристаллического кремния, несмотря на их меньший начальный кпд;
высокой радиационной стойкости;
возможности снижения на порядок и более удельной стоимости солнечной батареи по сравнению с монокристаллическим вариантом.

Существенным преимуществом гибких тонкопленочных солнечных батарей является их малый стартовый (транспортный) объем, возможность создания на их основе легко развертываемых солнечных батарей рулонного типа и т.д.

В качестве базовой технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе аморфного кремния для космического применения рассматривается освоенная совместным российско-американским предприятием ООО «Совлакс» (соучредители НПП «Квант», ЕСD Ltd.,USA) технология наземного применения. Эта технология обеспечивает формирование каскадной трехпереходной фотоэлектрической структуры на основе сплавов a-Si на тонкой ленточной подложке.

Современные проекты НПП «Квант» в области космической фотоэнергетики

МКС: Российский сегмент из модулей «Заря» и «Звезда» с солнечными преобразователями с двусторонней чувствительностью
Крупные геостационарные платформы «СиСат», «Экспресс-А», «Экспресс-АМ», «КазСат» и др.
Космические аппараты для дистанционного зондирования Земли и метеорологии «Монитор-Э», «Метеор-3» и др.

Основные характеристики солнечных батарей НПП «Квант»

Основные характеристики	Моно- кристаллический	GalnP2-GalnAs-Ge трехкаскадные	Аморфный
Удельная мощность СБ при АМ0, 25°С в оптимальной точке ВАХ, Вт/м 2	200	~350	90-100
Удельная мощность СБ при АМ0, 60°C, в оптимальной точке ВАХ, Вт/м 2	165-170	~320	80-90
Удельная масса (по фотообразующей части без учёта каркаса), кг/м 2:
- сетчатая подложка - сотовая подложка	1,7-1,85 1,4-1,5	1,9 1,6	0,3
Деградация рабочего тока за САС, %
- 10 лет GEO - 10 лет LEO - 10 лет на эллиптической и промежуточной орбитах	20 20 30	15 15 25	Радиационная деградация ~7%

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.