Развитие технологии энергоснабжения спутников (EPS) не завершилось, и многие её стороны нуждаются в усовершенствовании. Самым быстроразвивающимся направлением исследований является совершенствование солнечных батарей для получения максимально возможного количества энергии.
В предыдущей статьеТехнология трех спаев (3J) способна захватывать значительно больше фотонов, чем обычные кремниевые элементы. Тем не менее, теоретический КПД остается 30%. Это значит, что только треть солнечного излучения, падающего на элемент, реально превращается в электрическую энергию.
Значение очень низкое, особенно если учесть, что слияние ячеек повышает КПД, зависящее от используемого метода монтажа. Это не говоря уже об омических потерях, негативном влиянии на окружающую среду и, самое главное, температуре. В результате общий КПД падает значительно ниже 30%. Для соответствия новым требованиям орбиты исследования ведутся в двух направлениях: повышение эффективности отдельных ячеек и совершенствование технологии монтажа.
Повышение эффективности отдельной ячейки
Солнечный элемент преобразует энергию движущихся фотонов в электрический ток. Чем больше фотонов может преобразовать элемент, тем больше тока и мощности он производит.
Секция преобразования называется PN-переходом. Каждый спай преобразует энергию фотонов определённого диапазона, соответствующего энергетическому зазору полупроводникового материала. Это значит, что спай может преобразовывать энергию только тех фотонов, чья энергия достаточна для перемещения электронов в материале.
Если фотон обладает энергией 0,7 эВ, движение электронов вызванное им возможно лишь в полупроводнике с энергетическим зазором, близким к 0,7 эВ. Но насколько близко? В классической ячейке J3, схема преобразования которой показана на рисунке, третий J3-переход сформирован германием, имеющим номинальный энергетический зазор в 1 эВ. При правильной работе он способен преобразовывать фотоны до значения 1,8 эВ. Эти менее энергичные фотоны всё ещё производят энергию, но могут производить больше. На самом деле, они находятся на 0,8 эВ от номинального значения зазора и, несмотря на механическую обработку, не преобразуются так же эффективно, как фотоны, близкие к номинальному значению.
Главная задача — создание наибольшего числа PN-переходов для преобразования максимального количества фотонов.
Желательно, чтобы на каждый фотон приходился один переход, но даже при бесконечном количестве переходов эффективность составила бы всего 68,8% из-за законов термодинамики. Эти законы гласят, что ячейка не является чёрным телом и не способна поглощать все виды излучения.
Новые типы ячеек
Компания SolAero Technologies разработала инвертированный метаморфический элемент 4J для повышения эффективности солнечных панелей. Новая ячейка оснащена промежуточным переходом между 1 эВ и 1,8 эВ, что позволяет более эффективно преобразовывать менее энергичные фотоны. «Перевернутая» конструкция также улучшает преобразование фотонов, проходящих через переходы.
В отличие от привычного метода, сначала возводят крайний узел, который первым встретит солнце, а затем остальные. Такое построение обеспечивает идеальное сцепление материалов. Доказанная продуктивность 4J – около 35%, она уже продается. Версии 5J и 6J разрабатываются и обещают превысить 38%. Главный вызов состоит в том, чтобы предложить эти инновационные ячейки, требующие дорогих материалов и нестандартной обработки, по той же цене, что и 3J.
Новые способы обработки и новые материалы.
Другим примером повышения эффективности является извлечение энергии из фотонов с энергией, меньшей, чем энергия полосовой щели. Это достигается специальными методами обработки, которые уменьшают зазор в определенной области материала, делая его способным преобразовывать менее энергичные фотоны. Обычно такую обработку проводят в среднем переходе 3J, что улучшает преобразование фотонов в пограничной зоне. Полученные выходы составляют около 27%, и их можно улучшить. Будет обнадеживающе, если такие методы можно применить к ячейкам 4J-5J.
В настоящее время этот пример применяется только на Земле, но имеет хорошие перспективы — органические ячейки из биоразлагаемых фуллеренов. Фуллерены — это аллотропные углеродные вещества, похожие на графит, состоящие из углеродных цепочек не менее 60 элементов. Некоторые фуллерены при определенных температурах становятся сверхпроводящими. Стоимость их низкая из-за легкой доступности сырья и простой обработки. В космосе применение фуллеренов стало бы прорывом в области развертывания, поскольку ячейки могут быть построены на подложке из легкого, гибкого пластика, который легко складывается и сворачивается. Недостатки: токсичность материала и низкая производительность, около 17%.
Новые монтажные конфигурации
Как отмечалось ранее, исследования охватывают не только клетки, но и конструкции монтажа. Можно выделить три основных направления исследований.
- Совершенствование существующих технологий
- Объединение уже известных технологий
- Улучшение производительности посредством настройки массива под внешние условия.
Компания Orbital-ATK разрабатывает развертываемый гибкий массив под названием MegaFlex, способный формировать круговую геометрию панелей в два этапа. Обе ступени включают удлинение механической руки и затем удлинение панелей, что позволяет вывести на орбиту большую площадь при тех же затратах на укладку, одновременно повышая прочность всей конструкции. Планируемый диаметр составляет 30 метров.
DSS разрабатывает систему Mega-ROSA, которая якобы способна производить от 100 до 300 кВт на околоземной орбите. В рамках проекта SOLAROSA DSS работает над тем, чтобы к разворачиваемой панели добавлялись гибкие концентрирующие линзы, которые при развертывании должны надуваться и устранять недостаток концентрирующих массивов — их громоздкость.
Еще один интересный проект, основанный на идее минимизировать пространство и вес, связан с панелями НАСА LISA. Изготовлены из аморфного кремния, панели располагаются на надувной конструкции. Для создания панелей, которые можно было бы адаптировать под нужды пользователя, применяют электростатически чистые массивы. Такая технология не нарушает окружающую среду в миссиях, требующих измерения электрических полей рядом со спутником, например, зондов, изучающих взаимодействие Солнца, Земли и соединения.
Также существуют панели, модифицированные для работы при высоких температурах: с рядами зеркал между ячейками для отражения солнечного света или с алгоритмом смещения от солнца к двигателю, срабатывающим при избытке тепла. Такой подход использует миссия ЕКА BepiColombo на Меркурии, где рабочая температура достигает 190 °C.
Изучаются массивы, способные выдерживать насыщенную пылью атмосферу Марса.
Первый ровер на Марсе, Sojourner из миссии Pathfinder в 1996 году, первым столкнулся с этой проблемой: его периодически покрывала пыль и очищали марсианские ветры, создавая колебания значений выходной мощности.
Было найдено два основных решения: механические приводы, удаляющие пыль с помощью вибрации, и технология, использующая для этой же цели электрические поля. Обе технологии активируются, когда определенный процент ячеек покрывается пылью.
Эти проекты компании реализовали в последние годы и смогут достичь уровня производства, необходимый для выхода в космос. Как и все технологии, отправляемые с Земли в космос, их предстоит испытать. Возможно, новые разработки найдут применение и на Земле, и в космосе.