10.6 Солнечные батареи

Солнечными батареями (СБ) называют устройства, преобразующие лучистую энергию солнца в электрическую. Солнечные батареи на полупроводниковых кремниевых фотоэлементах (ФЭ) успешно используются на отечествен­ных космических аппаратах.

В основе работы кремниевого ФЭ лежит явление внутреннего фотоэффекта. Падающий на поверхность ФЭ (рисунок 10.10) световой поток частично отражается от полупроз­рачного электрода 1 и частично поглощается им. Часть светового потока, прошедшая через электрод 1, поглоща­ется полупроводниковым слоем с n-проводимостью 2, в результате чего возникают пары электрон — дырка. Благода­ря запирающему слою повышается концентрация электро­нов в области с n-проводимостью и концентрация дырок в области с р - проводимостью 3. Между этими областями, являющимися в ФЭ электродами, возникает разность потенциалов, которая зависит от степени освещенности и от свойств полупроводникового материала. При подключении наг между электродами по потечет ток, причем с 1 см², активной площади ФЭ можно получить ток, равный 18 мА.

Рисунок 10.10. К принципу работы полупроводникового кремние­вого фотоэлемента

Мощность, получаемая с 1 м² активной площади СБ при прямом солнечном освещении, составляет около 90 Вт, КПД — около 11%. С ростом температуры уменьшается ЭДС фотоэлемента (около 0,5 % на 1 °С), а следовательно, уменьшается и отдаваемая мощность (около 0,3 % на 1°С]- Допустимый предел рабочей температуры равен 100° С, однако при одновременном увеличении освещенности (в несколько раз относительно нормальной) и повышении температуры (до 130 °С) начальные параметры элемента не ухудшаются. Разрабатываемые в последнее время ФЭ из арсенида галлия значительно легче кремниевых, позволяют получить КПД свыше 20%, а также обладают повышенной термостойкостью, сохраняя работоспособность до 300—400°С. Весьма перспективны ФЭ на основе сульфата кадмия, поскольку они могут быть выполнены в виде гибких пленок и имеют относительно небольшую массу.

Солнечные батареи (СБ) космических аппаратов представляют собой комплекс следующих устройств: панели ФЭ, механизмы разворачивания панелей после выхода аппарата на орбиту, система ориентации на солнце панелей с ФЭ, буферные аккумуляторы, преобразователи напряжения и тока.

Жесткие панели ФЭ представляют собой легкие металлические каркасы с натянутой капроновой сеткой, которой крепятся ФЭ и провода токовыводов; панели соединяются шарнирно, образуя так называемую каркасную СБ. Достоинством этих СБ является простота конструкции, а недостатком — большие габариты в сложенном стоянии.

Гибкие панели ФЭ, наиболее приемлемые для большинства космических аппаратов и соответствующих СБ, выполняются на гибкой пластмассовой подложке и выводятся на орбиту в виде рулонов, образуя так называемую рулонную СБ; после выведения СБ может быть развернута с помощью упругих или надувных трубчатых балок, а также с помощью раскрывающихся жестких конструкций [11].

Система ориентации СБ на Солнце, как правило, авто­матическая; в состав ее входят солнечные датчики, логически-преобразующее устройство и электрические приво­ды, управляющие положением СБ.

Буферные аккумуляторные батареи (ББ) обеспечивают снабжение электроэнергией на энергоемких участках полета и во время полета по теневой части орбиты. СБ и ББ работают совместно: если ток СБ больше тока нагрузки, ББ заряжаются, а если меньше, то ББ разряжаются на нагрузку.

Наземные фотоэлектрические установки (ФЭУ) в общем случае состоят из фотоэлектрического генератора (ФЭГ), аккумуляторов и концентраторов энергии, системы охлаждения ФЭ и аппаратуры различного назначения. С учетом особенностей использования солнечного излучения на поверхности Земли, не исключая и водных прост­ранств, разработаны три типа наземных ФЭУ: автоном­ные— работающие совместно с аккумуляторной батареей (АБ); работающие параллельно с сетью (без АБ) и ком­бинированные— работающие с АБ и параллельно с сетью. Автономные ФЭУ используются для малоэнергоемких по­требителей (радиолокация, сигнальные огни, бакены, радиотелефоны, телевизионные приемники и т.п.), а также для объектов средней мощности, удаленных от магистральных систем электроснабжения. Однако наличие АБ (усложняет и удорожает систему, поэтому при наличии магистральной сети ФЭУ средней и большой мощности рационально включать на параллельную работу с сетью; при этом избыточная энергия ФЭУ поступает в сеть, а при ее недостатке потребители питаются от сети. Единичная мощ­ность большей части ФЭГ, изготовляемых в настоящее время, около 100 Вт. В СССР работают более 100 ФЭГ единичной мощностью 500 Вт. В последние годы намети­лась тенденция к строительству ФЭГ большой мощности для электропитания жилых и административных зданий, насосных установок, трубопроводов и т.д. [36].

Массовое применение СБ, т.е. развитие солнечной энергетики, ограничивается большой стоимостью ФЭ, обу­словленной высокой стоимостью изготовления кристаллического кремния, который пока остается самым распространенным полупроводниковым материалом для ФЭ. Поэтому в СССР и за рубежом ведется научный поиск в области совершенствования технологии производства кремния и конструкций ФЭ и СБ с целью снижения их цены. Кроме того, проводятся работы по применению новых видов полупроводниковых материалов с целью повышения КПД фотоэлементов, так как КПД промышленных кремниевых ФЭ составляет лишь 15%. Повышению КПД способствует применение концентраторов солнечной энергии.