XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

Для нормального функционирования космического аппарата (КА), необходима электроэнергия. Чтобы получить эту энергию в космосе, придумали солнечные панели, на которых установлены фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), принимающие фотоны (энергию света) от Солнца и преобразующие её в электрическую. В последующем электроэнергия распределяется по всем органам управления.

Таким образом, можно убедиться, что роль солнечных панелей очень важна, от них зависит вся работа КА. И необходимо создать благоприятные условия для защиты солнечных панелей от деформации, иначе при малейшей неисправности можно потерять управление целым спутником, ракетой и даже космической станцией.

В данной работе проведён обзор солнечных панелей (батарей), принцип их работы, причины их выхода из строя и принимаемые меры по их защите в космосе.

Одна из таких проблем, которая будет рассмотрена – электрический пробой.

Устройство солнечных панелей

Солнечная батарея – объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) – полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, как указано в энциклопедии [2].

Основой солнечной батареи является кристалл чистого кремния. Выращенному кристаллу придают форму куба, а потом вырезают на пластинки толщиной всего 180 мкм. На кремниевую пластину наносят некоторое количество бора и фосфора, для создания p-n перехода. Когда на солнечную панель попадает квант света в ней возникает электрический ток. Чтобы вывести ток с пластины, нужны электрические дорожки (каналы). По ним и течёт электричество. Чтобы увеличить мощность батареи пластины соединяют друг с другом с помощью каналов (Рис.1). Пластины соединяют между собой полосками специально обработанной меди. Как указано в монографии [3].

Рисунок 1 – Устройство панели

Кремний используют чаще других элементов из-за высокого КПД, как следует из материала [4].

Принцип действия солнечных панелей

Рисунок 2 – Принцип работы солнечных панелей

Большая часть солнечных устройств в действительности не что иное, как фотоэлектрический преобразователь, у которого на границе p-n перехода возникает эффект электрогенерации [5].

Применение солнечных панелей в космической отрасли

Система энергоснабжения космического аппарата (система энергопитания, СЭП) – система космического аппарата, обеспечивающая электропитание других систем, является одной из важнейших систем, во многом именно она определяет геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования. Выход из строя системы энергоснабжения ведёт к отказу всего аппарата.

В состав системы энергопитания обычно входят: первичный и вторичный источник электроэнергии, преобразующие, зарядные устройства и автоматика управления.

Требуемая мощность энергетической установки аппарата непрерывно растёт по мере освоения новых задач. Сегодня большинство бортовой аппаратуры космических аппаратов иностранного производства питается постоянным напряжением 50 или 100 Вольт. При необходимости обеспечения потребителя переменным напряжением или постоянным нестандартной величины используются статические полупроводниковые преобразователи.

В качестве первичных источников используются различные генераторы энергии:

солнечные батареи;

химические источники тока, в частности:

аккумуляторы,

гальванические элементы,

топливные элементы;

радиоизотопные источники энергии;

ядерные реакторы.

В состав первичного источника входит не только собственно генератор электроэнергии, но и обслуживающие его системы, например, система ориентации солнечных батарей.

При затенении батарей в результате манёвров или входа в тень планеты выработка энергии фотоэлектрическими преобразователям прекращается, поэтому систему энергопитания дополняют химическими аккумуляторами (буферные химические батареи).

На сегодняшний день солнечные батареи считаются одними из самых надёжных и достаточно хорошо отработанных вариантов обеспечения космического аппарата энергией.

Мощность излучения Солнца на орбите Земли составляет 1367 Вт/м². Это позволяет получать примерно 130 Вт на 1 м² поверхности солнечных батарей (при КПД 8…13 %). Солнечные батареи располагают или на внешней поверхности аппарата или на раскрывающихся жёстких панелях. Для максимизации, отдаваемой батареями энергии, перпендикуляр к их поверхности должен быть направлен на Солнце с точностью 10…15˚. В случае жёстких панелей это достигается или ориентацией самого КА или специализированной автономной электромеханической системой ориентации солнечных батарей, при этом панели подвижны относительно корпуса аппарата. На некоторых спутниках применяют не ориентируемые батареи, располагая их на поверхности так, чтобы при любом положении аппарата обеспечивалась необходимая мощность. Информация взята [6].

Причины деформации солнечных панелей в космосе

Солнечные батареи со временем деградируют под действием следующих факторов:

• метеорная эрозия, уменьшающая оптические свойства поверхности фотоэлектрических преобразователей;

• радиационное излучение, понижающее фотоЭДС, особенно при солнечных вспышках и при полёте в радиационном поясе Земли;

• термические удары из-за глубокого охлаждения конструкции на затенённых участках орбиты, нагрева на освещённых и наоборот. Это явление разрушает крепление отдельных элементов батареи, соединения между ними [7].

Термоудар – типичная ситуация для фотоэлементов в космосе, когда при переходе из освещённой части орбиты в затенённую Землёй температура за несколько минут изменяется более чем на 300 градусов Цельсия.

Электроразрядные процессы в солнечных батареях (СБ) приводят к нежелательным последствиям. Разрушаются поверхностные материалы, в первую очередь оптические и терморегулирующие покрытия, стекла, снижается ресурс работы солнечных элементов (фотопреобразователей).

В момент магнитосферных возмущений диэлектрические материалы геостационарных искусственных спутниках Земли (ИСЗ) приобретают избыточный поверхностный заряд от потока электронов с энергией до 100 кэВ, который затем может релаксировать в виде первичного триггерного разряда на электрические контакты солнечного элемента. Эти разряды в свою очередь могут инициировать вторичные устойчивые электрические дуги и даже «закоротить» линейки солнечных элементов СБ с различными потенциалами.

В условиях прохождения ИСЗ через область полярных сияний за СБ спутника возникает плазменная тень, т.к. ионы из окружающей плазмы не достигают тыльной стороны СБ, из-за высокой скорости космического аппарата (КА). За счет авроральных электронов с энергией 1-100 кэВ тыльная сторона СБ в этот временной интервал может приобрести отрицательный потенциал относительно корпуса ИСЗ в пределах 1-10 кВ и создать условия для возникновения электростатических разрядов на тыльной стороне СБ.

Как было установлено за последние 10 лет в 117 солнечных батареях ИСЗ были выявлены неполадки, в том числе 12 ИСЗ погибло из-за этих неполадок. У 71% ИСЗ эти аномалии произошли на геостационарной орбите, из-за электростатических разрядов на их СБ, возникших в период магнитосферных возмущений. В таблице приведена хронология и причины выхода из строя ИСЗ, за период с 2007 по 1997 гг.

Таблица 1 – Хронология выхода из строя ИСЗ в период с 2007 по 1997 г.г.

B таблицу включены только те ИСЗ, которые вышли из строя на орбите в результате неполадок в их солнечных батареях.

Методами микроскопии и рентгеновской дифракционной топографии установлено, что электрический пробой покровного стекла СБ может двояко воздействовать на кремниевые пластины фотопреобразователя. В первом случае происходит непосредственное воздействие разряда на поверхность фотопреобразователя с разрушением просветляющего покрытия и образованием кратера с повреждением p-n-перехода в локальном участке. Во втором случае логично предположить воздействие на кремниевый фотопреобразователь ударной волны, фронт которой формируется в стеклянном покрытии при его пробое. При этом поверхность кремниевого кристалла не повреждается, однако в объеме кремния формируется область деформаций с высокой плотностью дислокаций. Электростатические разряды на поверхности радиационно-заряженных стеклянных защитных покрытий СБ могут создавать условия для инициирования низковольтного дугового разряда между фрагментами СБ, находящимися под различным напряжением.

При использовании в солнечных батареях КА напряжений
и выше на геостационарных и полярных ИСЗ увеличивается риск возникновения элекростатических разрядов в момент магнитосферных бурь, что является серьезной опасностью для стабильной работы ИСЗ. Геостационарные ИСЗ освещаются Солнцем, и его радиационная зарядка определяется в основном фотоэлектронной эмиссией с поверхности аппарата. Фотоэлектроны поддерживают потенциал КА и СБ относительно окружающей плазмы на уровне нескольких вольт. Поверхность диэлектрических материалов ИСЗ, таких как покровные стекла СБ, имеют такой же потенциал. Когда ИСЗ подвергается воздействию магнитосферного шторма, резко возрастает поток электронов с энергией до 100 кэВ и иногда этот поток на ИСЗ может превышать ток фотоэлектронов. Фотоэлектроны с низкой энергией не покидают поверхность покровных стекол, из-за возникновения потенциального барьера вокруг КА. В этом случае потенциал корпуса ИСЗ и поверхности покровных стекол СБ может стать отрицательным. Благодаря различию коэффициентов вторично-электронной эмиссии поверхностей у различных материалов потенциал поверхности покровных стекол СБ может стать менее отрицательным, чем у ближайших проводников СБ, например, электрических контактов солнечных элементов.

Если разряд возникает между двумя линейками солнечных элементов СБ с различными потенциалами или между солнечным элементом и каким-либо проводником, то в этом случае возникает риск перерастания первичного триггерного разряда во вторичную, устойчивую, электрическую дугу, подпитываемую уже энергией от участка СБ. Длительность такой дуги, достигает секунд и выше. Риск возникновения вторичной устойчивой дуги возрастает по мере увеличения мощности, размеров и напряжения СБ. Образующаяся дуговая плазма может также закоротить солнечную панель на определенном ее участке. Вторичная устойчивая дуга нагревает диэлектрическую, капроновую подложку, на которой смонтированы солнечные элементы, что может привести к возникновению теплового пробоя и карбонизации капрона, и как следствие к короткому замыканию на СБ. Ряд ИСЗ потеряли часть мощности своих СБ из-за возникновения вторичных устойчивых дуг.

Разница потенциалов между поверхностью покровного стекла и контактными электродами солнечного элемента создает высокую напряженность электрического поля в тройной точке, которая находится в месте касания микроострия на поверхности электрического контакта солнечного элемента с диэлектриком при наличии плазмы. В этой точке усиливается напряженность электрического поля, при
напряженность электрического поля на микроострие достигает
. В этих условиях при прохождении импульса тока от автоэлектронной эмиссии, может произойти термовзрыв микроострия, выброс этана из-за взрывной электронной эмиссии. Электроны, имитируемые за счет взрывной электронной эмиссии из тройной точки, взаимодействуют с боковой стенкой солнечного элемента или покровного стекла. Электрическое поле обеспечивает зарядку покровного стекла. В результате возникает первичный высоковольтный триггерный разряд малой мощности. В ряде случаев этот разряд может создать условия для инициирования вторичной устойчивой дуги между соседними линейками солнечных элементов, имеющими различные потенциалы. Такая дуга уже подпитывается энергией от самой солнечной батареи.

Когда солнечная батарея частично или полностью попадает в тень, ФЭП вместо подачи тока на аккумуляторы начинают его потребление – через ФЭП идёт обратное напряжение.

Способы защиты солнечных батарей от электрического пробоя

С помощью шунтирующих диодов

Холдинг "Российские космические системы" (РКС, входит в состав "Роскосмоса") завершил создание модернизированной системы электрической защиты для солнечных батарей отечественного производства. Её применение позволит существенно продлить срок работы источников питания космических аппаратов и сделает российские солнечные батареи одними из самых энергоэффективных в мире.

В конструкции новых диодов использовали запатентованные технические решения, которые существенно улучшили их эксплуатационные характеристики и повысили их надёжность. Так, применение специально разработанной многослойной диэлектрической изоляции кристалла позволяет диоду выдерживать обратное напряжение до 1,1 киловольта. Благодаря этому новое поколение защитных диодов может использоваться с самыми эффективными из существующих фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). Ранее, когда диоды были неустойчивыми к высокому обратному напряжению, приходилось выбирать не самые эффективные образцы.

Для повышения надёжности и срока службы диодов в РКС создали новые многослойные коммутирующие шины диодов на основе молибдена, благодаря которым диоды выдерживают более семьсот термоударов. Стандартные компоненты земных солнечных батарей такого не выдерживают, а ресурс космических во многом определяется количеством термоударов, которое они могут пережить.

Срок активного существования солнечной батареи космического аппарата, оснащённой новыми диодами, увеличится до 15,5 года. Ещё 5 лет диод может храниться на Земле. Таким образом, общий гарантийный срок эксплуатации диодов нового поколения составляет 20,5 года. Высокая надёжность устройства подтверждена независимыми ресурсными испытаниями, в ходе которых диоды выдержали более 7 тысяч термоциклов. Отработанная групповая технология производства позволяет РКС выпускать более 15 тысяч диодов нового поколения в год.

Солнечные батареи для космоса состоят из фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) размером 25х50 миллиметров. Площадь солнечных батарей может достигать 100 квадратных метров (для орбитальных станций), поэтому ФЭП в одной системе может быть очень много. ФЭП расположены цепочками. Каждую отдельную цепочку называют "стринг". В космосе отдельные ФЭП периодически поражаются космическими лучами, и если бы на них не было никакой защиты, то из строя могла бы выйти вся солнечная батарея, в которой находится поражённый преобразователь.

Основу системы защиты солнечной батареи составляют диоды – небольшие устройства, устанавливаемые в комплекте с ФЭП. Чтобы через ФЭП не шло обратное напряжение, на каждом ФЭП устанавливается шунтирующий диод, а на каждый "стринг" – блокирующий диод. Чем эффективнее ФЭП, чем больше тока он выдаёт, тем больше будет обратное напряжение при попадании солнечной батареи в тень Земли.

Если шунтирующий диод "не тянет" обратное напряжение выше определённой величины, ФЭП придется делать менее эффективными, чтобы как прямой ток зарядки батарей, так и обратный ток нежелательной разрядки были минимальны. Когда со временем под воздействием дестабилизирующих факторов космического пространства отдельные ФЭП или сразу "стринг" выходят из строя, такие элементы просто отсекаются, не затрагивая рабочие ФЭП и другие "стринги". Это позволяет остальным, ещё исправным, преобразователям продолжать работу. Таким образом, именно от качества диодов зависит энергоэффективность и срок активного существования солнечной батареи [8].

С помощью линз Френеля

Рисунок 3 – Вид солнечной панели

Исследования солнечных батарей ИСЗ с
проводятся в плазме, которая по своим характеристикам подобна плазме в ионосфере. Из этих результатов следует, что наиболее эффективная технология связана с ослаблением возникающих первичных и вторичных электростатических разрядов, путем покрытия солнечных элементов СБ прозрачной тефлоновой пленкой. Такая конструкция фрагмента СБ получила название – купон. Конструкция купона препятствует взаимодействию положительных ионов окружающей плазмы с покровными стеклами солнечных элементов и выходу из тройной точки взрывной электронной эмиссии к стеклу. Все это затрудняет образованию электрических разрядов вплоть до отрицательного потенциала порядка 1000 В. Однако в реальных условиях полета частицы космического мусора и микрометеоров могут бомбардировать СБ и создавать отверстия в полимерной пленке. В этом случае будет трудно сдерживать образование разрядов в СБ.

Из наблюдений по электроразрядной деградации СБ следует, что разрушение в основном было связано с краями солнечных элементов. Для реального применения высоковольтных СБ необходимо найти метод по защите от воздействия электрических разрядов на края солнечных элементов СБ. Развитие исследований проводится по двум направлениям: подавление возникновения электрических разрядов и снижение повреждений от каждого разряда. В настоящее время проходят испытания солнечных батарей с системой линейных преломляющих линз Френеля.

Солнечные батареи такого типа состоят из оптического концентратора (8.5х) с линейным фокусом на базе линейной преломляющей линзы Френеля с КПД солнечного элемента (фотопреобразователя) ∼27-30%. Линзы изготовлены из тонкого (140 мкм.) гибкого силиконового материала (ДС-93500). В фокусе оптического концентратора располагается солнечный элемент с тройным переходом (GaInP/GaAs/Ge).

Эта разработка позволяет обеспечить использование в СБ КА высоких напряжений (100 – 600 В), она свободна от электрических разрядов и малоуязвима к воздействию микрометеорных частиц и космических корпускулярных излучений. Одно из преимуществ СБ типа SLA по сравнению с плоскими СБ то, что площадь, занимаемая солнечными элементами при равной мощности, намного меньше, чем у плоской СБ, поэтому облегчается борьба с электрическими разрядами, за счет более совершенной их изоляции. Солнечный элемент заключен в капсулу, что обеспечивает минимальную возможность электрического взаимодействия его с окружающей плазмой. Солнечные батареи типа SLA имеют очень высокие технические показатели [9].

Вывод

В данной работе рассмотрен принцип работы солнечных панелей для земного и космического применения. Проведен анализ существующих способов защиты солнечных панелей в открытом космосе. Определены способы защиты панелей от недопустимых деформаций. В дальнейшем планируется сделать лабораторный макет и испытать те способы защиты, которые были приведены выше.

Список литературы

Сайт «ФБ.ру»: [Электронный курс] – Режим доступа к ст.: http://fb.ru/article/242228/nachalo-kosmicheskoy-eryi-i-rol-uchenyih-den-nachala-kosmicheskoy-eryi-chelovechestva.html (дата обращения: 18.12.18).

Сайт «Википедия» [Электронный курс] – Режим доступа к ст.: https://ru.wikipedia.org (дата обращения: 18.12.18).

Сайт «Инфоурок»: [Электронный курс] – Режим доступа к ст.: https://infourok.ru/nauchnoissledovatelskaya-rabota-na-temu-issledovanie-solnechnih-batarey-2375680.html (дата обращения: 18.12.18).

Сайт «Motocarrello.ru»: [Электронный курс] – Режим доступа к ст.: https://motocarrello.ru/jelektrotehnologii/solnechnye-batarei/1895-solnechnyh-batarej.html (дата обращения: 18.12.18).

Сайт «StudFiles.net»: [Электронный курс] – Режим доступа к ст.: https://studfiles.net/preview/5708003.htm (дата обращения: 18.12.18).

Сайт «Википедия»: [Электронный курс] – Режим доступа к ст.: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 18.12.18).

Сайт «Википедия»: [Электронный курс] – Режим доступа к ст.: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 18.12.18).

Сайт «Life.ru»: [Электронный курс] – Режим доступа к ст.: https://life.ru (дата обращения: 18.12.18).

Акишин А.И. Воздействие электрических разрядов на солнечные батареи ИСЗ. – Москва: МГУ. Режим доступа к ст.: http://nuclphys.sinp.msu.ru/school/s08/s08_01.pdf (дата обращения: 18.12.18).

Код для цитирования: Скопировать