Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
За рубежом для космических аппаратов, работающих на геосинхронной орбите, создаются так называемые гибридные солнечные батареи, состоящие из жестких панелей, которые располагаются близко к корпусу космического аппарата и вырабатывают энергию на участке перелета с опорной орбиты на стационарную, п гибких солнечных батарей, которые развертываются на рабочей орбите. Необходимость применения таких батарей обусловлена тем, что при использовании двигателей большой тяги для межорбитальной транспортировки космического аппарата гибкие солнечные батареи не выдерживают возникающих перегрузок. Примером гибридной конструкции может служить солнечная батарея, схематически изображенная на рис. 5.1.
Принципы, заложенные в конструкцию подобных солнечных батарей, использованы также при разработке энергетического модуля, который предназначается для увеличения продолжительности пребывания в космосе орбитальной ступени транспортного космического аппарата «Спейс Шаттл», а также для энергоснабжения и обслуживания на орбите автономных космических объектов. Общий вид такого энергомодуля в пристыкованном к орбитальной ступени транспортного космического аппарата состоянии и в свободном полете схематически изображен на рис. 5.2.
Pис. 5.1. Схема гибридной солнечной батареи в сложенном (а), частично раскрытом (б) и полностью раскрытом (в) состояниях
1 — жесткая панель; 2 — трубчатая балка; 3 — гибкие панели; 4 — гибкое крыло; 5 — поворотный механизм
Рис. 5.2. Схема энергетического модуля, пристыкованного к орбитальной ступени транспортного космического аппарата (а) и находящегося в свободном полете (б)
1 — панель солнечной батареи (размер ~ 40 × 10 м); 2 — узел стыковки с полезной нагрузкой; 3 — панель радиатора системы терморегулирования; 4 — отсек оборудования; 5 — антенна; 6 — узлы стыковки с транспортным космическим аппаратом
Поскольку основной вклад в массу гибких панелей дают солнечные элементы, очень актуальной является задача уменьшения их толщины и повышения удельной мощности. Наиболее перспективны в этом отношении ультратонкие (толщиной 50 мкм) кремниевые солнечные элементы и солнечные элементы на основе гетероструктуры AlGaAs — GaAs. Увеличение размера солнечных элементов и использование элементов с обволакивающими тыльными контактами упрощает сборку и снижает удельную стоимость панелей солнечных батарей. Ожидается, что применение всех перечисленных конструктивных мероприятий должно привести к снижению удельной массы солнечных батарей и получению удельных характеристик, достигающих 120–160 Вт/м2 и 200 Вт/кг.
Температурная стабилизация, просветление и защита солнечных батарей от радиации с помощью оптических покрытий
Интенсивные потоки частиц, в основном свободных электронов и протонов, образующих в околоземном пространстве так называемые радиационные пояса, приводят к ухудшению электрических параметров полупроводниковых приборов, установленных на космических аппаратах. Особенно сильно это отрицательное влияние сказывается на полупроводниковых солнечных батареях, которые с целью максимального использования солнечного излучения приходится монтировать на внешней поверхности аппаратов или на специальных выносных панелях.
Хотя в настоящее время предложены интересные способы повышения радиационной стойкости самих полупроводниковых материалов, такие, как введение ионов лития или высокотемпературный отжиг (до 400o C для кремния и до 200–250 °C для арсенида галлия), создание покрытий из прозрачных и радиационно стойких материалов по-прежнему является наиболее эффективным способом защиты солнечных батарей.
Эффективность прозрачной защиты основана на том, что ею сильно «срезаются» или вообще не пропускаются к полупроводнику частицы малых энергий, которых особенно много в спектре радиационных поясов Земли[9]. К тому же именно частицы малых энергий наиболее разрушительно действуют на солнечные элементы, уменьшая их КПД.
Основная трудность практического решения этой проблемы состоит в том, что, кроме защиты от повреждающего действия радиации, оптические покрытия должны обладать высокими просветляющими и теплорегулирующими свойствами, т. е. уменьшать коэффициент отражения в рабочей области спектра и предохранять солнечные элементы от перегрева путем увеличения интегрального коэффициента собственного теплового излучения поверхности ε до значений в пределах 0,8–0,9. Необходимость просветления рабочей поверхности вызвана высоким коэффициентом отражения (35–40 %) чистой полированной поверхности солнечных элементов в области спектральной чувствительности 0,4–1,1 мкдо; это означает, что без уменьшения потерь на отражение не могут быть получены солнечные элементы с высоким КПД. Увеличение собственного теплового излучения поверхности солнечного элемента особенно важно в связи с тем, что для полированной высоколегированной (концентрация примесей (1–2)×102° см-3) поверхности кремниевых элементов без теплорегулирующего покрытия е составляет 0,19—0,24.
Для универсальной системы покрытий, впервые созданной в СССР в 1964–1965 гг., был использован принцип, положенный в основу получения двуслойного покрытия, обладающего высокими просветляющими и теплорегулирующими свойствами. Увеличение коэффициента излучения поверхности кремниевых солнечных элементов с 0,19—0,24 до 0,9 происходит при двуслойном покрытии благодаря верхнему теплорегулирующему кремнийорганическому слою толщиной 40–80 мкм (nτu=1,51), с селективными оптическими характеристиками: для него характерны прозрачность в области 0,4–1,1 мкм и поглощение в области теплового излучения поверхности при 30–40 °C, т. е. в интервале спектра 3—30 мкм.
Высокая эффективность просветления при применении двуслойного покрытия достигается правильным выбором пленки из сернистого цинка (nZnS=2,3, d=0,15 мкм) в качестве оптимального просветляющего слоя между теплорегулирующим покрытием и кремнием, так как расчет показывает, что для оптимального просветляющего подслоя
n=(nтnnSi)1/2=(1,5×3,7)1/2=2,3.
Пленка ZnS может быть заменена на пленки оксидов тантала, титана или церия, имеющих близкий к ZnS показатель преломления.
В 1984–1985 гг. в отечественных работах было показано, что пленка ZnS (или Ta2O5, CeO2, TiO2) может успешно
