Солнечные элементы

Рис. 4.14. Расположение слоев в монолитной каскадной структуре

1 — подложка из монокристаллического арсенида галлия n-типа;

2 — солнечный элемент из арсенида галлия с p-n-переходом в гомогенном материале; 3 — туннельный переход из сильнолегированного твердого раствора AlGaAs; 4 — солнечный элемент с гетеропереходом AlGaAs — GaAs и p-n-переходом в арсениде галлия; 5 — широкозонное окно-фильтр

Рис. 4.15. Каскадная система с двумя солнечными элементами и одним дихроическим зеркалом (а) и с тремя солнечными элементами и двумя дихроическими зеркалами (б)

1–3 — солнечные элементы; 4 — линза Френеля; 5–7 — дихроические зеркала

Двухкаскадная система с дихроическим зеркалом при 165-кратной концентрации наземного солнечного излучения с плотностью потока 894 Вт/м2 (спектр падающего излучения соответствовал условиям AM1,23) характеризуется, как показано в одной из работ, следующими параметрами солнечных элементов, измеренными при температуре обоих элементов 30o С (водяное охлаждение):

* F — коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики солнечного элемента.

Полученный суммарный КПД двухкаскадной системы, как видно, составляет 28,5 %.

Улучшение качества дихроических зеркал и отдельных солнечных элементов дает возможность получить в таких системах с расщеплением спектра суммарный КПД 30–32 % при средних (50—100-кратных) и около 40 % при высоких (более 1000) концентрациях солнечного излучения.

Для создания каскадных систем с дихроическими зеркалами лучше всего использовать следующие полупроводниковые материалы: для Eg=0,7 эВ: Ge; для Eg= 1,1 эВ: Si, InxGa1-xAs, GaAl1-xSbx, GayIn1-yAs1-xPx, AlyGa1-yAs1-xSbx; для Eg=1,4 эВ: GaAs; для Eg=1.7 эВ: AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, AlyGa1-yAs1-xSbx.

Следует отметить, что системы с дихроическими зеркалами избавляют разработчиков элементов от необходимости решать сложную проблему, возникающую при изготовлении монолитных каскадных элементов, получаемых эпитаксиальным наращиванием слоев, — сочетать в каскадном элементе слои с близкими постоянными кристаллической решетки и коэффициентами термического расширения.

В будущем, возможно, вообще отпадет необходимость в использовании дихроических зеркал при применении для преобразования солнечного излучения и одновременного расщепления спектра солнечных элементов (см. с. 119), прозрачных в длинноволновой области за краем основной полосы поглощения с высоко-отражающим металлическим покрытием или зеркалом на тыльной поверхности.

Глава 5

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ

И НАЗЕМНЫЕ ФОТОГЕНЕРАТОРЫ

Жесткие и гибкие солнечные батареи с высоким отношением мощности к весу

Солнечные батареи космических аппаратов представляют собой сложные электромеханические устройства, обеспечивающие электрическое соединение солнечных элементов, их размещение на единой несущей основе, прочность и устойчивость всей конструкции при вибрации и маневрах, а также возможность ее раскрытия, монтажа и ориентации в условиях космоса.

Главные элементы конструктивной схемы ориентируемой солнечной батареи — несущая опора, или подложка, на которой монтируются солнечные элементы и межэлементные соединения, силовая конструкция (рамы, балки, мачты и т. п.), механизмы и силовые узлы системы раскрытия и ориентации.

В зависимости от механических характеристик несущей опоры, или подложки, солнечные батареи разделяют на конструкции с жесткой, полужесткой и гибкой несущими поверхностями.

Жесткая несущая конструкция солнечных батарей, как правило, состоит из двух плоских тонких листов и находящегося между ними сотового наполнителя. Она характеризуется весьма большой частотой собственных колебаний и высокой жесткостью при работе на изгиб, обеспечивающей малые прогибы панелей. Удельные характеристики таких солнечных батарей: 100–120 Вт/м2, 20–40 Вт/кг.

Гибкие солнечные батареи имеют несущую подложку, характеризуемую нулевой жесткостью на изгиб, развертываемую и удерживаемую в рабочем положении с помощью раскладных мачт, балок или пантографов. Конструкции солнечных батарей с гибкой несущей поверхностью могут быть двух типов: свертываемые, пли рулонные, и складные, или пакетные. Удельные характеристики гибких батарей зависят от типа применяемых солнечных элементов и могут составить 100–120 Вт/м2 и 40–80 Вт/кг.

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.