الألواح الشمسية في الفضاء. الألواح الشمسية للفضاء - مجلة أخرى

أين سنضع CSP؟ على الأرجح في GSO. وفي المدارات الأخرى، إما أن تحتاج إلى تركيب أجهزة استقبال في جميع أنحاء الكوكب، أو أن تحمل معك مجموعة من البطاريات.

دعونا لا نتخيل الآن، ولكن دعونا ننظر إلى الإمكانيات المتاحة.

ستنقل مركبة الإطلاق Angara من قاعدة بليسيتسك الفضائية 3-4 أطنان إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. ماذا يمكنك أن تضع فيها؟ ما يقرب من 100 مربع من الألواح الشمسية. ومع التركيز المستمر على الشمس وكفاءة تصل إلى 20 بالمائة، يمكنك الحصول على 300 واط لكل مربع. لنفترض أنها تتحلل بنسبة 5% سنويًا (آمل ألا يفاجئ أحد أن الألواح الشمسية في الفضاء تتدهور بسبب الإشعاع والنيازك الدقيقة وما إلى ذلك).
لنحسب: (100*300*24*365*20)/2=2,628,000,000 واط.
ولفهم الحجم الكامل للمشكلة، دع هذه الميغاواط تصل إلى الأرض دون خسارة. القوة مثيرة للإعجاب، ولكن ماذا لو لم نكن نطير إلى أي مكان؟ متوفر 300 طن من الكيروسين. الكيروسين يكاد يكون بنزينًا. لقد قام بافتراض آخر واستخدم مولد غاز عادي (200 كيلو وات مقابل 50 لترًا في الساعة).
200000*300000/50=1,200,000,000 واط
ماذا يحدث: نقوم بتصريف البنزين من الصاروخ ونحصل بالفعل على نصف الطاقة.
النصف الآخر من الصاروخ مشغول بالأكسجين السائل. كنت أرغب في حساب التبريد والتسييل من خلال السعة الحرارية، ولكن بعد ذلك وجدت سعرًا على الإنترنت يبلغ 8200 روبل للطن الأكسجين السائل. نظرًا لأن سعر التكلفة هو الكهرباء وحدها تقريبًا (فليكن الكيلووات 2 روبل):
300*8200*1000/2= 1,230,000,000 واط ساعي
عفوا النصف الثاني بالفعل 0٪ كفاءة. لم نحسب الصاروخ بعد.

لكننا سنخترع نوعًا من قاذفات الحمولة النافعة في المدار

وهذا يعني أننا سنبلغ اللوحات بطريقة أو بأخرى الطاقة الحركيةعلى شكل 10 كم/ث:
3000*10000 2/2 = 150000000000 جول = 41,700,000 واط ساعي
ويبدو أن هناك كفاءة تصل إلى 5000%، ولكن هناك بعض المشاكل:
- من غير المرجح أن يكون من الممكن رمي الكائن عاليا بما فيه الكفاية، لذلك يجب إنفاق جزء من الكتلة والطاقة للتغلب على الغلاف الجوي؛
- كل ما يتم رميه من الأرض حسب قوانين المقذوفات سيعود إلى الأرض، أي أن جزءا آخر من الكتلة سيذهب إلى صعود الحضيض.
دع طنًا يذهب إلى الحماية الحرارية. دعونا نحسب التغير في المدار:
ΔV=جذر((3.986ë10 14 /42000000)(1+2*6000000/(6000000+42000000))=3441 م/ث
أفضل المحركات تعطي دفعة قدرها 4500. نأخذ صيغة تسيولكوفسكي:
م نهائي =2000/خبر(4500/3500)=572 كجم
لنأخذ محركات الصواريخ الكهربائية، الدفع أكبر بـ 10 مرات ولدينا ألواح.نعم، ولكن مع القوة الحالية للألواح، سيكون الدفع ملي نيوتن، وسيستغرق التحول سنوات. وليس لدينا سوى بضع ساعات قبل الهبوط.
نتيجة لذلك: ناقص المحرك والخزانات والحمولة الزائدة - من الجيد أن نحصل على نفس الكمية.

دعونا نرفع الألواح على المصعد

عموما الفكرة ليست سيئة. إذا قمت ببساطة برفع الحمل إلى الارتفاع، فإننا نحسب التغير في الطاقة الكامنة:
3000*9.81*36000000/3600 = 294,300,000 واط ساعي
كيفية توصيلها إلى البضائع؟ خيارات نقل الكهرباء:
- بالمصعد نفسه. ليس من الصعب تخيل خسائر وكتلة موصل يبلغ طوله 36000 كيلومتر. أتمنى أن أتمكن من بناء المصعد بنفسي.
- بالليزر – ناقص جزء كبير من الكتلة للتحويل.
- تسليم عدد معين من الألواح بالطريقة التقليدية ومن ثم رفع الباقي على حبل مجاناً. للحصول على ميجاوات من الطاقة تحتاج إلى 3 كم2 من الألواح. في هذه الحالة، سيستغرق رفع الحمولة أسبوعين. أولئك. وسنقوم بجمع نفس الميغاوات خلال عام واحد.

صعوبات أخرى

تعمل بحرية مع كيلومترات من اللوحات وكفاءة الاستقبال طاقة شمسيةفي الفضاء، يخبرنا مؤلفون نادرون كيف سيوجهون الألواح نحو الشمس. ويكون GSO ثابتًا بالنسبة إلى الأرض فقط. وعليه، نحن بحاجة إلى الآليات والوقود.
نحتاج أيضًا إلى محولين وأوصياء ومستقبلين على الأرض. هل يوجد عدد كبير من المستهلكين بالقرب من خط الاستواء؟ خطوط الجهد العاليمن خلال نصف الكرة. إذا تم ضرب كل هذا باحتمال غير 100٪ لإكمال المهمة، فالسؤال هو من يستطيع القيام بذلك؟

الاستنتاجات:

- مع التقنيات الحالية، فإن بناء محطة طاقة شمسية فضائية أمر غير مربح.
- حتى لو قمت برفع كل شيء على مصعد فضائي، بحلول الوقت الذي يتم فيه الانتهاء من البناء، سينشأ سؤال حول كيفية التخلص من الألواح الفاشلة.
- يمكنك إحضار كويكب إلى الأرض وصنع ألواح منه. يخبرني شيء ما أنه بحلول الوقت الذي سنتمكن فيه من القيام بذلك، لن تكون هناك حاجة لنقل الطاقة إلى الأرض.

ومع ذلك، لا يوجد دخان بدون نار. وتحت النوايا التي تبدو سلمية قد تكون هناك نوايا مختلفة تمامًا.
على سبيل المثال، بناء الجيش محطة فضائيةأبسط بكثير وأكثر كفاءة:
- يمكن ويجب اختيار المدار أقل؛
- ضرب المتلقي بنسبة 100% ليس ضروريًا؛
- وقت قصير جدًا من الضغط على زر البداية حتى إصابة الهدف؛
- عدم تلوث المنطقة.

هذه هي الاستنتاجات. قد تحتوي الحسابات على أخطاء. وكالعادة أدعو القراء إلى تصحيحها.

هذه هي المحولات الكهروضوئية - أجهزة أشباه الموصلات التي تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة مباشرة. التيار الكهربائي. ببساطة، هذه هي العناصر الأساسية للجهاز الذي نسميه "الألواح الشمسية". بمساعدة هذه البطاريات مدارات الفضاءعمل الأقمار الصناعيةأرض. يتم تصنيع هذه البطاريات هنا في كراسنودار - في مصنع زحل. دعت إدارة المصنع مؤلف هذه المدونة لإلقاء نظرة عليها عملية الإنتاجوأخبر عنها في يومياتك.

1. المؤسسة في كراسنودار هي جزء من وكالة الفضاء الفيدرالية، لكن زحل مملوكة لشركة Ochakovo، التي أنقذت هذا الإنتاج حرفيًا في التسعينيات. اشترى أصحاب Ochakovo حصة مسيطرة، والتي ذهبت تقريبا إلى الأمريكيين. لقد استثمر Ochakovo بكثافة هنا، واشترى معدات حديثة، وتمكن من الاحتفاظ بالمتخصصين، والآن يعد Saturn واحدًا من الشركتين الرائدتين في السوق الروسيةإنتاج البطاريات الشمسية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن لتلبية الاحتياجات صناعة الفضاء- المدنية والعسكرية. جميع الأرباح التي يتلقاها زحل تبقى هنا في كراسنودار وتتجه نحو تطوير قاعدة الإنتاج.

2. إذن، كل شيء يبدأ هنا - في ما يسمى بالموقع. المرحلة الغازية. يوجد في هذه الغرفة مفاعل غاز، حيث يتم زراعة طبقة بلورية على ركيزة من الجرمانيوم لمدة ثلاث ساعات، والتي ستكون بمثابة الأساس للخلية الشمسية المستقبلية. وتبلغ تكلفة هذا التثبيت حوالي ثلاثة ملايين يورو.

3. بعد ذلك، لا يزال يتعين على الركيزة أن تمر عبرها لمسافات طويلة: سيتم تطبيق الاتصالات الكهربائية على جانبي الخلية الكهروضوئية (علاوة على ذلك، على جانب العمل، سيكون لجهة الاتصال "نمط مشط"، يتم حساب أبعادها بعناية لضمان أقصى قدر من النقل ضوء الشمس)، سيظهر طلاء مضاد للانعكاس على الركيزة، وما إلى ذلك. - ما مجموعه أكثر من عشرين عملية تكنولوجية في منشآت مختلفة قبل أن تصبح الخلية الكهروضوئية أساس البطارية الشمسية.

4. هنا، على سبيل المثال، تركيب الطباعة الحجرية الضوئية. هنا، تتشكل "أنماط" التلامسات الكهربائية على الخلايا الكهروضوئية. يقوم الجهاز بتنفيذ جميع العمليات تلقائيا، وفقا لبرنامج معين. هنا يكون الضوء مناسبًا، ولا يضر الطبقة الحساسة للضوء في الخلية الكهروضوئية - كما كان من قبل، في عصر التصوير التناظري، استخدمنا المصابيح "الحمراء".

5. في فراغ تركيب الاخرق، يتم ترسيب الاتصالات الكهربائية والعوازل الكهربائية باستخدام شعاع الإلكترون، ويتم أيضًا تطبيق الطلاءات المضادة للانعكاس (تزيد التيار الناتج عن الخلية الكهروضوئية بنسبة 30٪).

6. حسنًا، الخلية الكهروضوئية جاهزة ويمكنك البدء في تجميع البطارية الشمسية. يتم لحام قضبان التوصيل على سطح الخلية الكهروضوئية من أجل توصيلها فيما بعد ببعضها البعض، ويتم لصق الزجاج الواقي عليها، والذي بدونه في الفضاء، في ظل ظروف الإشعاع، قد لا تتحمل الخلية الكهروضوئية الأحمال. وعلى الرغم من أن سمك الزجاج يبلغ 0.12 مم فقط، إلا أن البطارية التي تحتوي على هذه الخلايا الكهروضوئية ستعمل لفترة طويلة في المدار (في مدارات عالية لأكثر من خمسة عشر عامًا).

7. يتم التوصيل الكهربائي للخلايا الكهروضوئية مع بعضها البعض باستخدام ملامسات فضية (تسمى قضبان) بسمك 0.02 مم فقط.

8. للحصول على جهد الشبكة المطلوب الناتج عن البطارية الشمسية، يتم توصيل الخلايا الكهروضوئية على التوالي. هذا ما يبدو عليه قسم من الخلايا الكهروضوئية المتسلسلة (المحولات الكهروضوئية - هذا صحيح).

9. وأخيراً، يتم تجميع البطارية الشمسية. يظهر هنا جزء فقط من البطارية - اللوحة بتنسيق نموذج بالحجم الطبيعي. يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى ثماني لوحات من هذا القبيل على القمر الصناعي، اعتمادًا على مقدار الطاقة المطلوبة. على الأقمار الصناعية الحديثةالاتصالات تصل إلى 10 كيلو واط. سيتم تركيب هذه اللوحات على قمر صناعي، وفي الفضاء ستفتح مثل الأجنحة وبمساعدتها سنشاهد القنوات الفضائية، ونستخدم الإنترنت عبر الأقمار الصناعية، وأنظمة الملاحة (تستخدم أقمار GLONASS الصناعية كراسنودار الألواح الشمسية).

10. عندما تضيء الشمس مركبة فضائية، فإن الكهرباء المولدة من البطارية الشمسية تعمل على تشغيل أنظمة المركبة الفضائية، ويتم تخزين الطاقة الزائدة في البطارية. وعندما تكون المركبة الفضائية في ظل الأرض، يستخدم الجهاز الكهرباء المخزنة في البطارية. بطارية نيكل-هيدروجين ذات قدرة طاقة عالية (60 وات/كجم) وعمليا مورد لا ينضب، وتستخدم على نطاق واسع في المركبات الفضائية. يعد إنتاج مثل هذه البطاريات جزءًا آخر من عمل مصنع ساتورن. في هذه الصورة، يتم تجميع بطارية النيكل والهيدروجين بواسطة أناتولي دميترييفيتش بانين، الحائز على وسام الاستحقاق للوطن من الدرجة الثانية.

11. منطقة تجميع بطاريات النيكل والهيدروجين. يتم إعداد محتويات البطارية لوضعها في السكن. الحشو عبارة عن أقطاب كهربائية موجبة وسالبة مفصولة بورق فاصل - حيث يحدث تحول وتراكم الطاقة.

12. تركيب لحام شعاع الإلكترون في الفراغ حيث يتم تصنيع علبة البطارية من معدن رقيق.

13. قسم من ورشة العمل حيث يتم اختبار أغلفة البطاريات وأجزائها للتأكد من تأثيرها ضغط دم مرتفع. ونظرًا لأن تراكم الطاقة في البطارية يصاحبه تكوين الهيدروجين، ويزداد الضغط داخل البطارية، يتم إجراء اختبارات التسرب - جزء لا يتجزأعملية تصنيع البطارية.

14. يعد غلاف بطارية النيكل والهيدروجين جزءًا مهمًا جدًا من الجهاز بأكمله الذي يعمل في الفضاء. تم تصميم الغلاف لضغط قدره 60 كجم ث/سم 2، أثناء الاختبار، حدث التمزق عند ضغط 148 كجم ث/سم 2؛

15. يتم شحن البطاريات المختبرة بالكهرباء والهيدروجين، وبعد ذلك تصبح جاهزة للاستخدام.

16. يتكون جسم بطارية النيكل والهيدروجين من سبيكة معدنية خاصة ويجب أن تكون قوية ميكانيكيًا وخفيفة الوزن ولها موصلية حرارية عالية. يتم تثبيت البطاريات في الخلايا ولا تلمس بعضها البعض.

17. تخضع البطاريات القابلة لإعادة الشحن والبطاريات المجمعة منها للاختبارات الكهربائية على التركيبات من إنتاجنا. في الفضاء، لن يكون من الممكن تصحيح أي شيء أو استبداله، لذلك يتم اختبار كل منتج بعناية هنا.

18. الكل تكنولوجيا الفضاءيتم اختباره ل التأثيرات الميكانيكيةباستخدام منصات الاهتزاز التي تحاكي الأحمال عند إطلاق مركبة فضائية إلى المدار.

19. بشكل عام، أنتج مصنع ساتورن أكبر قدر من الإنتاج انطباع إيجابي. يتم تنظيم الإنتاج بشكل جيد، وورش العمل نظيفة ومشرقة، والأشخاص العاملون مؤهلون، والتواصل مع هؤلاء المتخصصين هو متعة ومثير للاهتمام للغاية بالنسبة لشخص مهتم على الأقل إلى حد ما بمساحتنا. غادر زحل في في مزاج رائع- من الجميل دائمًا أن تنظر إلى مكان هنا حيث لا ينخرطون في الثرثرة الخاملة ولا يمررون الأوراق، ولكنهم يقومون بعمل حقيقي وجاد، ويتنافسون بنجاح مع الشركات المصنعة المماثلة في البلدان الأخرى. سيكون هناك المزيد من هذا في روسيا.

ويتعلق الاختراع ب أنظمة الطاقة الأجسام الفضائية، يعتمد على التحويل المباشر للطاقة الإشعاعية من الشمس إلى كهرباء، ويمكن استخدامه لإنشاء ألواح شمسية اقتصادية مساحة كبيرة. الجوهر: في بطارية شمسية فضائية تحتوي على إطار داعم، توضع عليه خلايا ضوئية، بما في ذلك قطبين موصلين تفصل بينهما فجوة، أحدهما شفاف، على السطح الداخلييتم وضع طبقة من المواد ذات وظيفة عمل أقل من وظيفة عمل مادة القطب، ولا يتجاوز حجم الفجوة المسار الحر للإلكترونات الضوئية. 5 مريض.

ويتعلق الاختراع بأنظمة الطاقة للأجسام الفضائية القائمة على التحويل المباشر للطاقة الإشعاعية من الشمس إلى كهرباء، ويمكن استخدامها لإنشاء ألواح شمسية فضائية ذات مساحة كبيرة (SB). تحتوي البطاريات الشمسية المعروفة على إطار، توضع عليه خلايا ضوئية، بما في ذلك قطبين موصلين تفصل بينهما فجوة، أحدهما مصنوع من البطاريات الشمسية يعتمد على هياكل شبه موصلة أنواع مختلفةتتمتع بكفاءة عالية إلى حد ما في تحويل الطاقة الشمسية. تتمثل عيوب SBs المعروفة بناءً على التأثير الكهروضوئي الداخلي في تعقيد البنية الكهروضوئية مع استخدام المواد النادرة، مثل زرنيخيد الغاليوم؛ القيود الأساسية من أسفل سمك الكهروضوئية بسبب هيكل المحول متعدد الطبقات، وخاصة الفجوة المتدرجة، الذي يستخدم ركائز، وطلاءات بصرية ووقائية مختلفة، ونتيجة لذلك، نسبيًا كتلة كبيرة FEP، يتجاوز كتلة إطار SB، مصنوع من مواد عالية القوة؛ الحساسية لتأثيرات البيئة الفضائية، ولا سيما الإشعاع الجسيمي، الذي يسبب تدهورًا سريعًا في خصائص الأداء، مما يقلل من عمر الخدمة. ونتيجة لذلك، تؤدي هذه العيوب إلى تكلفة عاليةالكهرباء المولدة من قبل SB. الأقرب إلى الحل التقني المقترح هو بطارية شمسية فضائية تم اختيارها كنموذج أولي، تحتوي على إطار داعم، توضع عليه خلايا ضوئية، بما في ذلك قطبين كهربائيين مفصولين بفجوة، أحدهما يصبح شفافًا كمساحة لتوليد التيار بين أسطح الخلية الشمسية، في مثل هذه الخلية الشمسية يتم استخدام طبقة (طبقات) متجانسة أو غير متجانسة، والتي يتم تطبيق الأقطاب الكهربائية (على سبيل المثال، البصرية والحاجز) والطلاءات اللازمة. يمكن تصنيع عناصر تجميع التيار على شكل شبكات موصلة رفيعة تتشكل على أسطح الأقطاب الكهربائية. الإطار الداعم عبارة عن هيكل تروس مصنوع من ألياف الكربون عالية القوة، على سبيل المثال، وعناصر القضبان، والتي يتم تمديد FEP عليها في شكل ألواح مرنة على ركيزة شبكية، مثبتة على الإطار على طول المحيط. تتمتع SB المعروفة بكفاءة عالية إلى حد ما (تصل إلى 15-20٪ تقريبًا) وسمك صغير لألواح SB المرنة (تصل إلى 100-200 ميكرون)، مما يسهل تخزين ونقل ونشر SB في حالة العمل، على سبيل المثال، من لفة. عيوب SB المعروفة هي تلك المذكورة أعلاه، والتي تعتبر نموذجية للخلايا الشمسية شبه الموصلة. تؤدي أوجه القصور هذه في النهاية إلى عدم تحديد مستوى عالٍ بما فيه الكفاية خصائص الطاقة(الطاقة لا تتجاوز 0.2 كيلو واط/كجم أو 0.16 كيلو واط/م2) والخصائص التشغيلية والتكنولوجية (الثقل النوعي الكبير للألواح الشمسية بسبب الطاقة الكهروضوئية، وتعقيد التصنيع، والحساسية للتأثيرات الفضائية، وما إلى ذلك)، مما يؤدي إلى زيادة التكلفة. توليد الكهرباء من هذا النوع. الغرض من الاختراع هو زيادة الطاقة الكهربائية المحددة لكل وحدة كتلة مع زيادة المقاومة في نفس الوقت التأثيرات الخارجيةفي الظروف الفضاء الخارجي. يتم تحقيق هذا الهدف من خلال حقيقة أنه في البطارية الشمسية الفضائية التي تحتوي على إطار داعم، يتم وضع خلايا ضوئية عليها، بما في ذلك قطبين موصلين مفصولين بفجوة، أحدهما شفاف، على السطح الداخلي لأحد الأقطاب الكهربائية طلاء مصنوع من مادة ذات دالة عمل أقل من ناتج دالة الشغل لمادتها، ولا يتجاوز حجم الفجوة المسار الحر للإلكترونات الضوئية. جوهر الاختراع هو استخدام SB المقترح في التصميم، على عكس المبادئ التقليديةالتأثير الكهروضوئي الخارجي، حيث يعمل أحد الأقطاب الكهربائية الموصلة ككاثود ضوئي، يمكن من خلاله إخراج الإلكترونات الضوئية في الغالب إما في اتجاه الضوء الساقط من سطح الظل للفيلم، أو في الاتجاه المعاكس من السطح المضيء للفيلم. يتم التقاط الإلكترونات الضوئية بواسطة فيلم آخر باستخدام قطب كهربائي موصل، والذي يعمل بمثابة الأنود. حيث أن أفلام الكاثود والأنود مصنوعة من مواد ذات وظائف عمل إلكترون مختلفة، عند تعرضها لـ SB تدفق مضيئةتم إنشاء فرق جهد توازن معين بين الأغشية (EMF في حدود 0.6-0.8 فولت) بشرط أن تكون الفجوة بين الأغشية أقل من متوسط المسار الحر للإلكترونات الضوئية في وسط الفجوة (يتم استيفاء هذا الشرط للفراغ الكوني مع مجال مغناطيسي خارجي ضعيف). الشيء الأكثر أهمية هو أنه يمكن تصنيع الأغشية الموصلة (بما في ذلك المعادن) بشكل أرق بكثير من لوحات أشباه الموصلاتيبلغ حجم SB حوالي 0.5 ميكرون أو أقل، وبالتالي فإن الخصائص المحددة لـ SB المقترحة أعلى بكثير من خصائص SB التقليدية. بالإضافة إلى الحساسية الخصائص الكهربيةإن SB المقترح لتأثير عوامل البيئة الفضائية (النيازك الدقيقة والإشعاع الجسيمي) أضعف بكثير. يعد إنتاج الأفلام وتجميع الألواح الشمسية منها على إطار داعم أمرًا بسيطًا من الناحية التكنولوجية، وتتيح ظروف الجاذبية المنخفضة (انعدام الوزن) إنشاء ألواح شمسية خفيفة الوزن بمساحة كبيرة جدًا، وبالتالي الطاقة. التجسيد المفضل لـ SB المقترح هو تصميم حيث يتم تصنيع كل فيلم من الأفلام ذات القطب الموصل على شكل شرائح معزولة عن بعضها البعض، وتشكل شرائط الأفلام المختلفة في أزواج أقسامًا من محول كهروضوئي، مدمجًا في سلسلة دائرة يتم فيها توصيل كل شريط خلفي لأحد أقسام المحول كهربائياً مع الشريط الموجه نحو الطاقة الشمسية للقسم المجاور للمحول، ويتم توصيل عناصر تجميع التيار كهربائياً بالشريط الخلفي في أحد طرفي الدائرة وإلى الشريط الموجه نحو الطاقة الشمسية في الطرف المقابل من الدائرة. لقد زاد هذا التصميم من قابلية التصنيع عند بناء مساحة كبيرة SB. في الوقت نفسه، يتيح تصميم SB هذا تقليل كمية التيار المتدفق عبر الأقسام الكهروضوئية لكل وحدة من الطاقة المولدة وبالتالي تقليل سمك الأفلام، أي تقليل كتلة SB بشكل أكبر. في SB المقترح، يتم تطبيق طلاء على سطح الفيلم باستخدام قطب كهربائي موصل (الكاثود الضوئي)، مما يقلل من وظيفة عمل الإلكترونات من هذا الفيلم. ويمكن القيام بذلك، على سبيل المثال، عن طريق أكسدة طبقة معدنية مقابلة (مثل الألومنيوم). عندما يقع الأنود فوق الكاثود الضوئي، يجب أن يكون الأول شفافًا هذا الخياريمكن تصنيع الفيلم الموصل SB المقترح، الموجه نحو الشمس، من هيكل مثقوب أو شبكي مع أقل قدر ممكن من التظليل لفيلم الكاثود. يتم توضيح جوهر الاختراع من خلال الرسومات، حيث يُظهر الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا لنظام شمسي به كاثود ضوئي فيلم موجه نحو الشمس؛ يُظهر الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا لـ SB مع كاثود ضوئي على السطح الخلفي؛ يوضح الشكل 3 رسمًا تخطيطيًا لـ SB مع التقسيم؛ ويبين الشكل 4 الدائرة الكهربائية المكافئة لـ SB؛ يوضح الشكل 5 خيار التصميم لـ SB. كما هو مبين في الشكل 1، يحتوي SB على أفلام موصلة موضوعة على إطار عازل داعم 1، يعمل أحدهما بمثابة كاثود الانبعاث الضوئي 2، والآخر كأنود 3. يقع الفيلم 2 على طول السطح الموجه نحو الضوء الشمسي التدفق 4. من خلال عناصر التجميع الحالية 5، يمكن توصيل الأفلام الموصلة بالحمل 6. وفقًا لتجسيد آخر لـ SB، الموضح في الشكل 2، يمكن وضع الكاثود الضوئي 2 على طول السطح الخلفي، ويتم تصنيع فيلم الأنود 3 شفافة، وخاصة المثقبة أو المصنوعة على شكل شبكة سلكية دقيقة. يمكن أن تكون مواد الأقطاب الكهربائية معادن مثل الألومنيوم والفضة والذهب والبلاتين وبعض السبائك والأكاسيد المعادن القلويةوغيرها من الاتصالات. أعمال مختلفةتم الحصول على إنتاج الإلكترون للأغشية من نفس المعدن نتيجة لأكسدة أحدها أو أي معالجة سطحية أخرى. كما هو موضح في الشكل 3، يمكن تصنيع أفلام الكاثود والأنود على شكل شرائط 7 و8 معزولة عن بعضها البعض، مع شرائط من نوع واحد (أنوديك) متصلة كهربائيًا بشرائط من نوع آخر (كاثود) على طول وصلات التلامس ( طبقات) 9 بحيث تكون الخلية الشمسية ذات المساحة الكبيرة هنا عبارة عن نظام (سلسلة) من أقسام توليد الطاقة المتصلة بسلسلة من 10 أحجام أصغر. يقوم كل قسم بزيادة الجهد المزود للتحميل 6 بما يتوافق مع ما يعادله مخطط كهربائيالدائرة الموضحة في الشكل 4. كما هو مبين في الشكل 5، من الناحية الهيكلية، قد يحتوي SB مع الرسم التخطيطي وفقًا للشكل 3 على إطار قابل للطي أو جاهز مع عناصر حاملة طولية 11 و12 عرضية. يتم شد أجزاء من FEP 13 على شكل شرائح متصلة من أنواع مختلفة على الإطار، وتمريرها عبر العناصر العرضية 12 وتثبيتها على طول الحواف بنفس العناصر 12، على سبيل المثال، باستخدام الأقمشة المرنة العازلة (الشبكة، والأقواس، وما إلى ذلك). ) 14. يتم ضمان صلابة SB في الحالة المنتشرة بواسطة الأقواس 15، وتشديد نهايات عناصر القضيب الطولية 11، المفصلية في الأجزاء المركزية. يتم تنفيذ تشغيل وتشغيل SB وفقًا للاختراع على النحو التالي. إما أن يتم إطلاق SB بالكامل في شكل مطوي أو يتم إطلاق شظاياه في الفضاء الخارجي، ثم يتم تجميعها فيه نظام موحد. عند نشرها في حالة صالحة للعمل، يتم توجيه SB نحو الشمس باستخدام أحد أسطحها الفيلمية، اعتمادًا على نوع الكاثود الضوئي (انظر الشكلين 1 و2). وبسبب انبعاث الإلكترون الناتج، يظهر مجال كهربائي في الفجوة بين الأفلام، مما يخلق فرق جهد بين أفلام الأنود والكاثود يساوي الفرق في وظائف عمل هذه الأفلام. عندما يتم توصيل حمل معين 6 بـ SB من خلال عناصر تجميع التيار 5، ينشأ تيار كهربائي في الدائرة الكهروضوئية، مما يزود الحمل بالكهرباء اللازمة. المجال الأساسي لتطبيق SBs المقترحة مرتفع، ولا سيما المدارات الثابتة بالنسبة للأرض، حيث يكون تأثير الغلاف الجوي في حده الأدنى، المجال المغنطيسيالكوكب وتدرج جاذبيته، مما يجعل من الممكن إنشاء SBs بمساحة كبيرة جدًا، وبالتالي قوة عالية. يمكن تأكيد الكفاءة الفنية والاقتصادية للاختراع المقترح من خلال التقديرات التالية. ومن المعروف أن كفاءة تحويل الطاقة عند التأثير الكهروضوئي الخارجيهي 2-10% وباعتبار أن قوة التدفق الضوئي الشمسي بالقرب من الأرض تبلغ حوالي 1.4 كيلو واط/م2، فإن الطاقة الكهربائية المولدة من وحدة مساحة السطح الشمسي ستكون حوالي 0.05140070 واط/م2، إذا أخذنا كفاءة 5% هذا المؤشر أسوأ بشكل ملحوظ من مؤشر SBs السيليكون التسلسلي، حيث يتم تحقيق 110 واط/م2. ومع ذلك، يمكن زيادة سمك الأفلام إلى 0.5 ميكرون. ثم كتلة 1 م 2 من الفيلم، على سبيل المثال، مصنوعة من الألومنيوم ستكون 110.510 -6 2.710 3 1.3510 -3 كجم 1.35 جم بسمك 0.5 ميكرون. وبالتالي، فإن الطاقة الكهربائية المحددة (على أساس كتلة الكهروضوئية)، مع الأخذ في الاعتبار استخدام فيلمين، ستكون لـ PV بكتلة محددة تبلغ 25 10 جم / م 2 وإطار بنفس متوسط الكتلة النوعية، على سبيل المثال، إذا كانت الكتلة النوعية للبطارية الشمسية تبلغ حوالي 20 جم/م2، فإن الطاقة الكهربائية النوعية للبطارية الشمسية ستكون هذا المؤشر الرئيسي لـ SBs المقترحة أعلى بحوالي 20 مرة من نفس المؤشر لـ SBs الواعدة لأشباه الموصلات، حيث يصل إلى 200 واط / كجم، ولا يتطلب تنفيذ SB المقترح مواد نادرة وتقنيات معقدة، نظرًا لأن إنتاج موصلات رقيقة جدًا الأفلام هي عملية متقنة عمليا. ينبغي توقع تكلفة إنشاء SB المقترحة على مستوى تكلفة وضعها في المدار، وبما أن الأخير يتناسب مع كتلة SB، فإن المكسب في تكلفة توليد الكهرباء باستخدام SB المقترح يصبح واضحًا تمامًا . بالإضافة إلى ذلك، تتميز SBs المقترحة بعمر خدمة أطول ومتطلبات تشغيلية أقل صرامة. تسمح الهيئات الفرعية المقترحة بإمكانية ذلك الاستخدام الفعالكأجهزة تحكم (شراع شمسي) لتوجيه وتصحيح مدار الأجسام الفضائية. ترتبط آفاق تحسين SBs المقترحة بشكل أساسي بإنشاء أغشية موصلة رقيقة بشكل خاص (أقل من 0.1 ميكرون) وإطارات حاملة خفيفة للغاية. وتجري الأبحاث ذات الصلة في مجال أجهزة الشراع الشمسي. مصادر المعلومات 1. كولتون م. الخلايا الشمسية. م. العلوم، 1987، ص 136-154. 2. جريليكيس ف. الخ. الطاقة الشمسية و رحلات الفضاء. ماجستير العلوم، 1984 ص 144 (النموذج الأولي).

دعونا لا نتخيل الآن، ولكن دعونا ننظر إلى الإمكانيات المتاحة.

ستنقل مركبة الإطلاق Angara من قاعدة بليسيتسك الفضائية 3-4 أطنان إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. ماذا يمكنك أن تضع فيها؟ ما يقرب من 100 مربع من الألواح الشمسية. ومع التركيز المستمر على الشمس وكفاءة تصل إلى 20 بالمائة، يمكنك الحصول على 300 واط لكل مربع. لنفترض أنها تتحلل بنسبة 5% سنويًا (آمل ألا يفاجئ أحد أن الألواح الشمسية في الفضاء تتدهور بسبب الإشعاع والنيازك الدقيقة وما إلى ذلك).
لنحسب: (100*300*24*365*20)/2=2,628,000,000 واط.
ولفهم الحجم الكامل للمشكلة، دع هذه الميغاواط تصل إلى الأرض دون خسارة. القوة مثيرة للإعجاب، ولكن ماذا لو لم نكن نطير إلى أي مكان؟ متوفر 300 طن من الكيروسين. الكيروسين يكاد يكون بنزينًا. لقد قام بافتراض آخر واستخدم مولد غاز عادي (200 كيلو وات مقابل 50 لترًا في الساعة).
200000*300000/50=1,200,000,000 واط
ماذا يحدث: نقوم بتصريف البنزين من الصاروخ ونحصل بالفعل على نصف الطاقة.
النصف الآخر من الصاروخ مشغول بالأكسجين السائل. كنت أرغب في حساب التبريد والتسييل من خلال السعة الحرارية، ولكن بعد ذلك وجدت سعرًا على الإنترنت يبلغ 8200 روبل لكل طن من الأكسجين السائل. نظرًا لأن سعر التكلفة هو الكهرباء وحدها تقريبًا (فليكن الكيلووات 2 روبل):
300*8200*1000/2= 1,230,000,000 واط ساعي
عفوا النصف الثاني بالفعل 0٪ كفاءة. لم نحسب الصاروخ بعد.

لكننا سنخترع نوعًا من قاذفات الحمولة النافعة في المدار

وهذا يعني أننا سنوصل بطريقة أو بأخرى الطاقة الحركية إلى الألواح على شكل 10 كم/ث:
3000*10000 2/2 = 150000000000 جول = 41,700,000 واط ساعي
ويبدو أن هناك كفاءة تصل إلى 5000%، ولكن هناك بعض المشاكل:
- من غير المرجح أن يكون من الممكن رمي الكائن عاليا بما فيه الكفاية، لذلك يجب إنفاق جزء من الكتلة والطاقة للتغلب على الغلاف الجوي؛
- كل ما يتم رميه من الأرض حسب قوانين المقذوفات سيعود إلى الأرض، أي أن جزءا آخر من الكتلة سيذهب إلى صعود الحضيض.
دع طنًا يذهب إلى الحماية الحرارية. دعونا نحسب التغير في المدار:
ΔV=جذر((3.986ë10 14 /42000000)(1+2*6000000/(6000000+42000000))=3441 م/ث
أفضل المحركات تعطي دفعة قدرها 4500. نأخذ صيغة تسيولكوفسكي:
م نهائي =2000/خبر(4500/3500)=572 كجم
لنأخذ محركات الصواريخ الكهربائية، الدفع أكبر بـ 10 مرات ولدينا ألواح.نعم، ولكن مع القوة الحالية للألواح، سيكون الدفع ملي نيوتن، وسيستغرق التحول سنوات. وليس لدينا سوى بضع ساعات قبل الهبوط.
نتيجة لذلك: ناقص المحرك والخزانات والحمولة الزائدة - من الجيد أن نحصل على نفس الكمية.

دعونا نرفع الألواح على المصعد

صعوبات أخرى

باستخدام كيلومترات من الألواح بحرية وكفاءة استقبال الطاقة الشمسية في الفضاء، يخبرنا مؤلفون نادرون كيف سيوجهون الألواح نحو الشمس. ويكون GSO ثابتًا بالنسبة إلى الأرض فقط. وعليه، نحن بحاجة إلى الآليات والوقود.
نحتاج أيضًا إلى محولين وأوصياء ومستقبلين على الأرض. هل يوجد عدد كبير من المستهلكين بالقرب من خط الاستواء؟ خطوط الجهد العالي من خلال نصف الكرة. إذا تم ضرب كل هذا باحتمال غير 100٪ لإكمال المهمة، فالسؤال هو من يستطيع القيام بذلك؟

الاستنتاجات:

ومع ذلك، لا يوجد دخان بدون نار. وتحت النوايا التي تبدو سلمية قد تكون هناك نوايا مختلفة تمامًا.
على سبيل المثال، يعد بناء محطة فضائية قتالية أمرًا أبسط بكثير وأكثر كفاءة:
- يمكن ويجب اختيار المدار أقل؛
- ضرب المتلقي بنسبة 100% ليس ضروريًا؛
- وقت قصير جدًا من الضغط على زر البداية حتى إصابة الهدف؛
- عدم تلوث المنطقة.

هذه هي الاستنتاجات. قد تحتوي الحسابات على أخطاء. وكالعادة أدعو القراء إلى تصحيحها.

عقد "الروسية أنظمة الفضاء"(RKS، جزء من روسكوزموس) أكملت إنشاء نظام حديث الحماية الكهربائيةللألواح الشمسية للإنتاج المحلي. سيؤدي استخدامه إلى إطالة عمر مصادر الطاقة بشكل كبير. مركبة فضائيةوستجعل الألواح الشمسية الروسية واحدة من أكثر الألواح الشمسية كفاءة في استخدام الطاقة في العالم. تم الإبلاغ عن هذا التطور في بيان صحفي تلقاه المحرر.

تصميم الثنائيات الجديدة المستخدمة على براءة اختراع الحلول التقنية، مما أدى إلى تحسينها بشكل ملحوظ خصائص الأداءوزيادة موثوقيتها. وبالتالي، فإن استخدام العزل الكهربائي البلوري متعدد الطبقات المطور خصيصًا يسمح للصمام الثنائي بمقاومة الفولتية العكسية التي تصل إلى 1.1 كيلو فولت. وبفضل هذا، يمكن استخدام الجيل الجديد من صمامات الحماية الثنائية مع المحولات الكهروضوئية الأكثر كفاءة (PVCs) المتوفرة. في السابق، عندما كانت الثنائيات غير مستقرة للجهد العكسي العالي، كان من الضروري اختيار العينات الأكثر كفاءة.

لزيادة موثوقية وعمر خدمة الثنائيات، أنشأت RKS حافلات تحويل جديدة متعددة الطبقات للثنائيات القائمة على الموليبدينوم، والتي بفضلها يمكن للثنائيات أن تتحمل أكثر من 700 صدمة حرارية. الصدمة الحرارية - الوضع النموذجيبالنسبة للخلايا الشمسية في الفضاء، فعند الانتقال من الجزء المضاء من المدار إلى الجزء المظلل من الأرض، تتغير درجة الحرارة بأكثر من 300 درجة مئوية في بضع دقائق. ولا يمكن للمكونات القياسية للبطاريات الشمسية الأرضية أن تتحمل ذلك، ويتم تحديد عمر خدمة البطاريات الفضائية إلى حد كبير من خلال عدد الصدمات الحرارية التي يمكنها البقاء عليها.

سيزيد العمر النشط للبطارية الشمسية للمركبة الفضائية المجهزة بثنائيات جديدة إلى 15.5 عامًا. يمكن تخزين الصمام الثنائي على الأرض لمدة 5 سنوات أخرى. وبالتالي، فإن إجمالي فترة الضمان للجيل الجديد من الثنائيات هو 20.5 سنة. موثوقية عاليةتم تأكيد الجهاز من خلال اختبارات الحياة المستقلة، التي صمدت خلالها الثنائيات لأكثر من سبعة آلاف دورة حرارية. قضى تكنولوجيا المجموعةيسمح الإنتاج لشركة RKS بإنتاج أكثر من 15 ألف صمام ثنائي من الجيل الجديد سنويًا. ومن المقرر أن تبدأ عمليات التسليم في عام 2017.

الخلايا الشمسية الجديدة ستتحمل ما يصل إلى 700 تغير في درجات الحرارة بواقع 300 درجة مئوية وستكون قادرة على العمل في الفضاء لأكثر من 15 عاما

تتكون البطاريات الشمسية المخصصة للفضاء من محولات ضوئية (PVC) بقياس 25 × 50 ملم. مساحة الألواح الشمسية يمكن أن تصل إلى 100 متر مربع(ل محطات مدارية)، وبالتالي يمكن أن يكون هناك الكثير من الخلايا الشمسية في نظام واحد. يتم ترتيب FEPs في سلاسل. تسمى كل سلسلة على حدة "سلسلة". في الفضاء، تتأثر محطات إثراء الوقود الفردية بشكل دوري الأشعة الكونيةوإذا لم تكن هناك حماية عليها، فقد تفشل البطارية الشمسية بأكملها التي يوجد بها المحول المتأثر.

يتكون أساس نظام حماية البطارية الشمسية من الثنائيات - وهي أجهزة صغيرة مثبتة بالكامل مع الخلايا الشمسية. عندما تقع البطارية الشمسية جزئيًا أو كليًا في الظل، تبدأ الخلايا الشمسية، بدلاً من تزويد البطاريات بالتيار، في استهلاكها - يتدفق الجهد العكسي عبر الخلايا الشمسية. لمنع حدوث ذلك، يتم تثبيت صمام ثنائي تحويلي على كل خلية كهروضوئية، ويتم تثبيت صمام ثنائي مانع على كل "سلسلة". كلما زادت كفاءة الخلية الشمسية، زاد التيار الذي تنتجه، وكلما زاد الجهد العكسي عندما تدخل اللوحة الشمسية إلى ظل الأرض.

إذا لم "يسحب" الصمام الثنائي التحويلي الجهد العكسي أعلى من قيمة معينة، فيجب جعل الخلايا الشمسية أقل كفاءة بحيث يكون كل من تيار الشحن الأمامي للبطاريات والتيار العكسي للتفريغ غير المرغوب فيه في حده الأدنى. عندما تفشل الخلايا الشمسية الفردية أو "السلسلة" على الفور، بمرور الوقت، تحت تأثير العوامل المزعزعة للاستقرار في الفضاء الخارجي، يتم قطع هذه العناصر ببساطة دون التأثير على الخلايا الشمسية العاملة و"السلاسل" الأخرى. وهذا يسمح للمحولات المتبقية، التي لا تزال تعمل، بمواصلة العمل. وبالتالي، فإن كفاءة الطاقة والعمر النشط للبطارية الشمسية تعتمد على جودة الثنائيات.

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم استخدام الثنائيات العازلة فقط في البطاريات الشمسية؛ وفي حالة تعطل خلية شمسية واحدة، يتم إيقاف تشغيل سلسلة المحولات بأكملها على الفور. ولهذا السبب، كان تدهور الألواح الشمسية على الأقمار الصناعية السوفييتية سريعًا ولم تعمل لفترة طويلة. وقد أجبرنا هذا في كثير من الأحيان على تصنيع وإطلاق الأجهزة لاستبدالها، وهو الأمر الذي كان مكلفًا للغاية. منذ التسعينيات، عند إنشاء المركبات الفضائية المحلية، بدأ استخدام الخلايا الشمسية الأجنبية الصنع، والتي تم شراؤها مجمعة بالثنائيات. لم يكن من الممكن تغيير الوضع إلا في القرن الحادي والعشرين.