Penjana termoelektrik, nanotelit dan panel solar. Bagaimana untuk mendapatkan tenaga di angkasa

Mana-mana kapal angkasa, terutamanya yang bertujuan untuk misi yang panjang, mesti dilengkapi dengan sumber kuasanya sendiri. Pada masa ini digunakan secara meluas panel solar, unsur fotovoltaik dan penjana termoelektrik. Walau bagaimanapun, ia tidak lama lagi boleh digantikan oleh nanosatelit yang dilengkapi dengan sistem tether elektrodinamik.

Penaklukan ruang dalam

Apabila melakukan perjalanan jauh dengan kereta, salah satu aspek penting Akan ada pemantauan berterusan terhadap ketersediaan petrol. Sudah tentu, anda perlu mengira laluan dengan teliti, tetapi skema asasnya ialah: sebaik sahaja bekalan anda tamat, anda perlu berhenti di stesen minyak terdekat, menyimpan bahan api dan teruskan. Sehingga pengisian minyak seterusnya.

Roket dan kapal angkasa tidak berbeza dengan kereta dalam hal ini - mereka juga memerlukan bahan api. Tetapi ada satu "tetapi" - belum ada yang membina stesen minyak di angkasa. Apa yang perlu dilakukan jika peranti itu bukan sahaja perlu dilancarkan ke orbit Bumi, tetapi juga perlu melakukan perjalanan yang sangat jauh, melangkaui sistem suria?

Berapakah kos untuk menghantar pakej ke angkasa lepas?

Jika anda pernah menetapkan matlamat sedemikian untuk diri sendiri, terdapat sedikit pilihan untuk menyelesaikan masalah itu. Pertama, anda boleh mengorbankan semua jenis peralatan di atas kapal dan menghantar bekalan bahan api yang sangat besar ke angkasa lepas. Sebaliknya, ia lebih berkemungkinan hanya menjadi tangki bahan api terbang gergasi - begitu banyak yang diperlukan.

Kami meragui bahawa anda akan menyukai kaedah ini - setiap kilogram berat tambahan semasa melancarkan roket akan menelan kos yang sangat mahal. Untuk menjadi lebih tepat, kira-kira sepuluh ribu euro. Kapal angkasa Voyager 1 dan Voyager 2, yang tergolong dalam apa yang dipanggil "probe angkasa lepas" - stesen angkasa yang meneroka ruang dalam - telah menjelajah Sistem Suria selama empat puluh tahun. Walaupun anda ingin menghantar bahan api yang mencukupi untuk misi serius seperti itu, anda tidak akan dapat berbuat demikian atas sebab ekonomi asas. Dan tidak perlu bercakap tentang faedah saintifik pelancaran sedemikian jika peralatan seperti kamera, penerima dan pemancar maklumat terpaksa ditinggalkan seboleh-bolehnya.

"Apa maksud awak belum pergi ke Alpha Centauri?"

Teknologi pengisian bahan bakar di angkasa memang wujud, dan secara amnya telah digunakan sejak sekian lama. Bahan api dihantar ke stesen angkasa yang mengorbit dan juga ke satelit individu, walaupun ini lebih sukar dilakukan. Walau apa pun, kita bercakap secara khusus mengenai objek yang berada di orbit Bumi. Sebaik sahaja anda akan mengatasi graviti planet asal anda dan pergi ke angkasa lepas, pengisian bahan api tidak menjadi persoalan. Stesen mengisi bahan api angkasa masih menjadi bahan fiksyen sains, pada hakikatnya, ia adalah kompleks dari segi teknologi dan ekonomi serta amat tidak menguntungkan. Dan akan ada sedikit pelanggan.

Masih ada pilihan terakhir, ketiga, di mana "setiap lelaki untuk dirinya sendiri": anda entah bagaimana menjana tenaga di atas kapal angkasa anda sendiri.

Warisan Einstein

Pada satelit yang terletak di orbit Bumi rendah, mempunyai ketinggian di atas permukaan planet dalam julat dari 160 km hingga 2000 km, atau dalam orbit geosynchronous, apabila tempoh orbit satelit mengelilingi Bumi adalah satu hari, panel solar digunakan. Kerja mereka adalah berdasarkan kesan fotovoltaik (juga dipanggil fotovoltaik), yang menyebabkan arus elektrik terhasil apabila cahaya mengenai bahan tertentu.

Tatasusunan fotovoltaik mempunyai julat kuasa dari 100 watt hingga 300 kilowatt dan merupakan sumber tenaga yang agak murah dengan peraturan keselamatan minimum untuk digunakan.

Sinaran di mana-mana

Tenaga fotovoltaik pertama kali digunakan pada 17 Mac 1958, apabila satelit Avangard-1 dilancarkan dengan enam panel solar di atas kapal. Mereka bekerja selama lebih daripada enam tahun, menghasilkan 1 watt kuasa. Pada masa yang sama, kecekapan bateri ini, iaitu nisbah tenaga yang dijana kepada jumlah yang sebenarnya boleh digunakan untuk kuasa peranti, adalah hanya 10%.

Sel fotovoltaik mesti dipasang sedemikian rupa untuk menutupi sebanyak mungkin permukaan satelit. Ia adalah perlu untuk sentiasa memantau kedudukan mereka berbanding Matahari - adalah dinasihatkan untuk sentiasa kekal berserenjang dengan sinaran kejadian, kerana dengan cara ini arus yang dihasilkan akan menjadi yang terbesar.

Ia juga penting untuk mengira bahawa semasa berada di Matahari, satelit mempunyai masa untuk mengumpul tenaga yang mencukupi: 40-45% daripada keseluruhan masa perjalanan orbit, peranti berada dalam bayang-bayang Bumi dan tidak dapat menjana arus. Secara umum, kecekapan bateri dipengaruhi oleh banyak faktor, seperti pergantungan suhu, jarak ke matahari, kemerosotan elektronik di bawah pengaruh sinaran malar - semuanya mesti diambil kira apabila memilih jenis sel fotovoltaik tertentu.

Kehangatan matahari kita

DALAM kapal angkasa Terdapat dua jenis peranti yang menukar haba kepada elektrik: statik dan dinamik. Penjana termoelektrik statik biasanya berasaskan sumber radioaktif. Penjana termoelektrik dinamik, yang sedang giat dilaksanakan dalam sistem satelit GPS, menggunakan sel elektrokimia beralkali.

Pada intinya kaedah ini Penjanaan tenaga adalah berdasarkan kesan Seebeck. Ia muncul apabila dua bersambung bahan yang berbeza, semasa juga berada di suhu yang berbeza. Kerana perbezaan ini, aliran elektron berlaku dari hujung yang lebih panas ke hujung yang lebih sejuk - kita mendapat arus elektrik. Peranti itu sendiri untuk menjana tenaga dipanggil thermoelement atau termokopel.

Kesan Seebeck juga mempunyai fenomena yang bertentangan, kesan Peltier, di mana apabila arus elektrik dialirkan melalui aloi dua konduktor atau semikonduktor, persimpangan panas dalam satu arah dan menyejuk di arah yang lain. Kesan Peltier digunakan dalam ruang untuk menyejukkan peralatan elektronik: kerana kekurangan perolakan dalam vakum, ini ternyata menjadi tugas yang agak bermasalah.

Untuk menggunakan kesan Seebeck dan Peltier, sudah tentu, sumber haba diperlukan. Untuk tujuan ini, pakar NASA telah membangunkan penjana termoelektrik radioisotop piawai yang beroperasi pada plutonium-238 dengan separuh hayat 87.7 tahun. hidup pada masa ini 41 penjana serupa digunakan pada 23 kapal angkasa, dengan kuasa antara 2 hingga 300 watt. Kelemahan asas menggunakan isotop radioaktif ialah kemungkinan pencemaran persekitaran, jika pelancaran misi tidak berjaya.

Apabila GPS tidak berfungsi, SAMTEC harus dipersalahkan

Penjana elektrik dinamik harus menjadi lebih cekap. Perbezaan utama mereka daripada yang statik ialah kaedah menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik. Jika dalam unsur termoelektrik haba secara langsung ditukar kepada elektrik, maka dalam unsur kepekatan elektrokimia tenaga pengembangan wap natrium digunakan untuk tujuan ini.

Dalam satelit GPS generasi baharu, penukar termoelektrik jenis AMTEC Suria (penukaran haba-ke-elektrik logam alkali suria - penukar tenaga haba suria kepada tenaga elektrik berdasarkan logam alkali), atau singkatannya SAMTEC, telah diperkenalkan.

Dalam penjana SAMTEC, penerima sinaran suria memanaskan takungan cecair natrium, yang menyejat. Wap natrium disalurkan melalui membran khas yang memisahkan gas tekanan tinggi(suhu 800-1000 o C) daripada gas tekanan rendah(suhu 200-300 o C). Disebabkan oleh perbezaan tekanan, ion natrium bercas positif terkumpul pada satu sisi penapis, dan elektron bercas negatif pada sisi yang lain. Beza keupayaan yang dicipta boleh menghasilkan arus elektrik dalam litar luar yang disambungkan.

Kecekapan sel SAMTEC adalah 15-40%, dengan hayat perkhidmatan 10-12 tahun tanpa penurunan prestasi di bawah keadaan sinaran yang berterusan di angkasa. Kuasa yang dijana boleh berbeza dari beberapa watt hingga kilowatt.

Benang kosmik

Penambat angkasa ialah tali logam nipis yang dipasang pada kapal angkasa orbit atau suborbit - roket, satelit atau stesen angkasa. Panjang kabel angkasa berbeza dari beberapa meter hingga puluhan kilometer (rekod dunia hanya lebih 32 kilometer). Kabel diperbuat daripada khas bahan tahan lama yang boleh menahan beban yang besar.

Sistem tether angkasa terbahagi kepada dua kategori - mekanikal dan elektrodinamik. Kabel kategori pertama digunakan, khususnya, untuk menukar kelajuan dan menghubungkan pelbagai kapal angkasa antara satu sama lain untuk bergerak sebagai satu.

Sistem kabel elektrodinamik menggunakan bahan khas yang bukan sahaja tahan lama, tetapi juga konduktif (biasanya aluminium atau tembaga). Apabila kabel sedemikian bergerak dalam medan magnet Bumi, daya gerak elektrik bertindak ke atas cas bebas dalam logam, menghasilkan arus elektrik. Juga, kawasan gas terion dengan ketumpatan dan sifat berbeza yang terdapat di angkasa dan kehadiran ionosfera berhampiran Bumi itu sendiri menyumbang kepada proses ini.

Simulasi berangka, disahkan melalui eksperimen, menunjukkan bahawa untuk satelit yang besar, penambat elektrodinamik sepanjang sepuluh kilometer boleh menjana kuasa purata 1 kilowatt dengan kecekapan penukaran tenaga 70-80%. Kabel sepanjang ini, diperbuat daripada aluminium, akan mempunyai berat hanya 8 kilogram, yang boleh diabaikan berbanding dengan berat pengorbit purata.

Kapal nano

Penjana angkasa telah dibangunkan dan dikaji selama beberapa dekad. Mereka digambarkan dengan baik dari sudut pandangan teori, dan terdedah kepada keadaan yang paling ekstrem di Bumi - tetapi pada masa yang sama, pembangunan sumber tenaga "luar angkasa" jauh lebih perlahan daripada rakan darat mereka. Anehnya, penerokaan angkasa lepas, yang berada di barisan hadapan teknologi, ternyata menjadi kawasan yang sangat konservatif di mana pengenalan perkembangan baharu jarang berlaku kerana banyak risiko dan sebab ekonomi.

Walau bagaimanapun, kita berada di awal pembangunan sepenuhnya kawasan baru– nanosatelit, dan bahkan satelit yang lebih kecil. Ia boleh berfungsi sebagai asas untuk sistem penambatan angkasa, dan dengan melancarkan banyak peranti sedemikian ke angkasa sekali gus, kami akan dapat menjana lebih banyak tenaga elektrik. Mungkin merekalah yang akan merevolusikan bidang penjanaan tenaga di angkasa, mengembangkan keupayaan teknologi kapal angkasa dan meningkatkan masa operasi mereka.

• Loji kuasa yang hebat

Bukan rahsia lagi bahawa selaras dengan perjuangan berterusan untuk tenaga yang lebih produktif, mesra alam dan lebih murah, manusia semakin menggunakan sumber tenaga berharga alternatif. Di banyak negara, sebilangan besar penduduk telah mengenal pasti keperluan untuk menggunakan elektrik untuk membekalkan rumah mereka.

Sebahagian daripada mereka membuat kesimpulan ini berkat pengiraan yang sukar untuk menjimatkan sumber material, dan ada yang terpaksa mengambil langkah yang bertanggungjawab mengikut keadaan, salah satunya sukar dicapai lokasi geografi, menyebabkan kekurangan komunikasi yang boleh dipercayai. Tetapi ia bukan sahaja di tempat yang sukar dijangkau bahawa panel solar diperlukan. Terdapat sempadan yang lebih jauh daripada pinggir bumi - ini adalah ruang. Bateri solar di angkasa adalah satu-satunya sumber penjanaan kuantiti yang diperlukan elektrik.

Asas Tenaga Suria Angkasa

Idea untuk menggunakan panel solar di angkasa mula muncul lebih setengah abad yang lalu, semasa pelancaran pertama satelit bumi buatan. Pada masa itu, di USSR, Nikolai Stepanovich Lidorenko, seorang profesor dan pakar dalam bidang fizik, terutamanya dalam bidang elektrik, membuktikan keperluan untuk penggunaan sumber tenaga yang tidak berkesudahan pada kapal angkasa. Tenaga sedemikian hanya boleh menjadi tenaga matahari, yang dihasilkan menggunakan modul solar.

Pada masa ini, semua stesen angkasa beroperasi secara eksklusif pada tenaga suria.

Ruang itu sendiri adalah penolong yang hebat dalam perkara ini, kerana sinaran matahari, yang sangat diperlukan untuk proses fotosintesis, tersedia dengan banyak di angkasa lepas, dan tiada gangguan terhadap penggunaannya.

Kelemahan menggunakan panel solar di orbit Bumi rendah mungkin kesan sinaran pada bahan yang digunakan untuk membuat plat fotografi. Oleh kerana pengaruh negatif ini, struktur sel solar berubah, yang membawa kepada penurunan pengeluaran elektrik.

Loji kuasa yang hebat

Di makmal saintifik di seluruh dunia, tugas yang sama sedang berlaku - mencari tenaga elektrik percuma dari matahari. Bukan pada skala rumah atau bandar individu, tetapi pada skala seluruh planet. Intipati kerja ini adalah untuk mencipta modul solar yang bersaiz besar dan, dengan itu, dalam pengeluaran tenaga.

Kawasan modul sedemikian adalah besar dan meletakkannya di permukaan bumi akan memerlukan banyak kesukaran, seperti:

• kawasan yang besar dan bebas untuk memasang penerima cahaya,
• pengaruh keadaan cuaca terhadap kecekapan modul,
• kos penyelenggaraan dan pembersihan panel solar.

Semua aspek negatif ini tidak termasuk pemasangan struktur monumental sedemikian di atas tanah. Tetapi ada jalan keluar. Ia terdiri daripada memasang modul solar gergasi di orbit Bumi rendah. Apabila idea sedemikian dilaksanakan, manusia akan menerima sumber tenaga suria yang sentiasa terdedah kepada cahaya matahari, tidak akan memerlukan penyingkiran salji, dan yang paling penting tidak akan mengambil ruang yang berguna di atas tanah.

Sudah tentu, sesiapa yang pertama di angkasa akan menentukan syaratnya dalam sektor tenaga global pada masa hadapan. Bukan rahsia lagi bahawa rizab mineral di bumi kita bukan sahaja tidak berkesudahan, tetapi sebaliknya, setiap hari mengingatkan kita bahawa manusia tidak lama lagi perlu beralih kepada sumber alternatif secara paksa. Itulah sebabnya pembangunan modul suria angkasa di orbit Bumi berada dalam senarai tugas keutamaan untuk jurutera kuasa dan pakar yang mereka bentuk loji kuasa masa depan.

Baca juga:

Masalah meletakkan modul solar di orbit bumi

Kesukaran mencipta loji kuasa sedemikian bukan sahaja dalam pemasangan, penghantaran dan penggunaan modul solar di orbit Bumi rendah. Masalah terbesar adalah disebabkan oleh penghantaran arus elektrik yang dihasilkan oleh modul solar kepada pengguna, iaitu, ke tanah. Sudah tentu, anda tidak boleh meregangkan wayar, dan anda tidak boleh mengangkutnya dalam bekas. Terdapat teknologi yang hampir tidak realistik untuk menghantar tenaga melalui jarak tanpa bahan ketara. Tetapi teknologi sedemikian menyebabkan banyak hipotesis kontroversi dalam dunia saintifik.

Pertama sekali, sinaran kuat sedemikian akan memberi kesan negatif kepada kawasan penerimaan isyarat yang luas, iaitu, sebahagian besar planet kita akan disinari. Bagaimana jika terdapat banyak stesen angkasa seperti itu dari semasa ke semasa? Ini boleh membawa kepada penyinaran seluruh permukaan planet, mengakibatkan akibat yang tidak dapat diramalkan.

Kedua titik negatif mungkin kemusnahan separa lapisan atas atmosfera dan lapisan ozon, di tempat di mana tenaga dipindahkan dari loji kuasa ke penerima. Malah seorang kanak-kanak boleh membayangkan akibat seperti ini.

Sebagai tambahan kepada segala-galanya, terdapat banyak nuansa yang berbeza yang meningkatkan aspek negatif dan menangguhkan pelancaran peranti sedemikian. Terdapat banyak situasi kecemasan seperti itu, daripada kesukaran membaiki panel sekiranya berlaku kerosakan atau perlanggaran yang tidak dijangka dengan badan kosmik, kepada masalah cetek tentang cara membuang struktur luar biasa itu selepas tamat hayat perkhidmatannya.

Walaupun semua aspek negatif, manusia, seperti yang mereka katakan, tidak ada tempat untuk pergi. Tenaga suria, hari ini, adalah satu-satunya sumber tenaga yang boleh, secara teori, menampung keperluan elektrik yang semakin meningkat. Tiada satu pun daripada sumber tenaga sedia ada di bumi dapat membandingkan prospek masa depan mereka dengan fenomena unik ini.

Jangka masa pelaksanaan anggaran

Ia telah lama tidak lagi menjadi persoalan teori. Pelancaran pertama loji janakuasa ke orbit bumi telah dijadualkan pada 2040. Sudah tentu, ini hanya model percubaan, dan ia jauh dari struktur global yang dirancang untuk dibina pada masa hadapan. Intipati pelancaran sedemikian adalah untuk melihat secara praktikal bagaimana loji kuasa sedemikian akan beroperasi dalam keadaan operasi. Negara yang mengambil misi sukar itu ialah Jepun. Anggaran kawasan bateri, secara teorinya, hendaklah kira-kira empat kilometer persegi.

Jika eksperimen menunjukkan bahawa fenomena seperti loji tenaga suria boleh wujud, maka arus perdana tenaga suria akan mempunyai laluan yang jelas untuk pembangunan ciptaan tersebut. Sekiranya aspek ekonomi tidak akan dapat menghentikan keseluruhannya pada peringkat awal. Hakikatnya, mengikut pengiraan teori, untuk melancarkan loji tenaga solar sepenuhnya ke orbit, lebih daripada dua ratus pelancaran kenderaan pelancar kargo diperlukan. Untuk makluman anda, kos satu pelancaran trak berat, berdasarkan statistik sedia ada, adalah lebih kurang 0.5 - 1 bilion dolar. Aritmetik adalah mudah, dan hasilnya tidak meyakinkan.

Jumlah yang terhasil adalah besar, dan ia hanya akan digunakan untuk menghantar elemen yang dibongkar ke orbit, tetapi masih perlu untuk memasang keseluruhan set pembinaan.

Untuk meringkaskan semua yang telah diperkatakan, dapat diperhatikan bahawa penciptaan loji tenaga solar angkasa adalah menunggu masa, tetapi struktur sedemikian hanya boleh dibina oleh kuasa besar yang akan dapat menanggung keseluruhan beban ekonomi dari pelaksanaannya. daripada proses tersebut.

Bateri solar di ISS

Bateri suria ialah beberapa penukar fotoelektrik gabungan (fotosel) - peranti semikonduktor yang secara langsung menukar tenaga suria kepada arus elektrik terus, berbeza dengan pengumpul suria yang memanaskan bahan penyejuk.

Pelbagai peranti yang memungkinkan untuk menukar sinaran suria kepada tenaga haba dan elektrik adalah objek penyelidikan dalam tenaga suria (dari bahasa Yunani helios Ήλιος, Helios -). Pengeluaran sel fotovoltaik dan pengumpul suria berkembang dalam arah yang berbeza. Panel solar datang dalam pelbagai saiz, daripada yang dibina ke dalam kalkulator mikro kepada yang menduduki bumbung kereta dan bangunan.

cerita

Prototaip pertama sel solar telah dicipta oleh ahli fotokimia Itali yang berasal dari Armenia, Giacomo Luigi Ciamician.

Pada 25 April 1954, Bell Laboratories mengumumkan penciptaan sel suria berasaskan silikon pertama untuk menjana arus elektrik. Penemuan ini dibuat oleh tiga pekerja syarikat - Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin dan Gerald Pearson. Hanya 4 tahun kemudian, pada 17 Mac 1958, yang pertama dengan panel solar, Vanguard 1, dilancarkan di Amerika Syarikat Hanya beberapa bulan kemudian, pada 15 Mei 1958, Sputnik 3 dilancarkan di USSR, juga. menggunakan panel solar.

Gunakan di angkasa

Panel solar adalah salah satu cara utama untuk menjana tenaga elektrik: ia berfungsi untuk masa yang lama tanpa memakan sebarang bahan, dan pada masa yang sama mesra alam, tidak seperti nuklear dan.

Walau bagaimanapun, apabila terbang pada jarak yang jauh dari Matahari (di luar orbit), penggunaannya menjadi bermasalah, kerana aliran tenaga suria adalah berkadar songsang dengan kuasa dua jarak dari Matahari. Apabila terbang ke dan, sebaliknya, kuasa panel solar meningkat dengan ketara (di rantau Zuhrah sebanyak 2 kali ganda, di rantau Mercury sebanyak 6 kali ganda).

Kecekapan fotosel dan modul

Kuasa fluks sinaran suria di pintu masuk ke atmosfera (AM0) adalah kira-kira 1366 watt setiap meter persegi(lihat juga AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D). Pada masa yang sama, kuasa khusus sinaran suria di Eropah dalam cuaca yang sangat mendung, walaupun pada siang hari, boleh kurang daripada 100 W/m². Menggunakan panel solar biasa yang dihasilkan secara industri, tenaga ini boleh ditukar menjadi elektrik dengan kecekapan 9-24%. Dalam kes ini, harga bateri adalah kira-kira 1-3 dolar AS per watt kuasa undian. Untuk penjanaan elektrik perindustrian menggunakan sel fotovoltan, harga setiap kWj ialah $0.25 Menurut Persatuan Fotovoltan Eropah (EPIA), menjelang 2020 kos elektrik yang dijana oleh sistem suria akan turun kepada kurang daripada €0.10 setiap kW pemasangan dan kurang daripada 0.15 € setiap kWj untuk pemasangan di bangunan kediaman.

Pada tahun 2009, Spectrolab (anak syarikat Boeing) menunjukkan sel solar dengan kecekapan 41.6%. Pada Januari 2011, sel solar dari syarikat ini dengan kecekapan 39% dijangka memasuki pasaran. Pada 2011, syarikat California Solar Junction mencapai kecekapan 43.5% untuk sel solar 5.5x5.5 mm, iaitu 1.2% lebih tinggi daripada rekod sebelumnya.

Pada tahun 2012, Morgan Solar mencipta sistem Sun Simba daripada polymethylmethacrylate (plexiglass), germanium dan gallium arsenide, menggabungkan penumpu dengan panel di mana sel solar dipasang. Kecekapan sistem apabila panel tidak bergerak ialah 26-30% (bergantung pada masa tahun dan sudut di mana Matahari berada), dua kali ganda kecekapan praktikal sel suria berdasarkan silikon kristal.

Pada tahun 2013, Sharp mencipta sel solar tiga lapisan berukuran 4x4 mm pada asas indium gallium arsenide dengan kecekapan 44.4%, dan sekumpulan pakar dari Institut Fraunhofer untuk Sistem Tenaga Suria, Soitec, CEA-Leti dan Pusat Helmholtz Berlin mencipta fotosel menggunakan kanta Fresnel dengan kecekapan 44.7%, mengatasi pencapaiannya sendiri sebanyak 43.6%. Pada tahun 2014, Institut Fraunhofer untuk Sistem Tenaga Suria mencipta sel suria yang, berkat lensa memfokuskan cahaya ke fotosel yang sangat kecil, mempunyai kecekapan sebanyak 46%.

Pada tahun 2014, saintis Sepanyol membangunkan sel fotovoltaik yang diperbuat daripada silikon yang boleh menukar sinaran inframerah daripada matahari kepada elektrik.

Arah yang menjanjikan ialah penciptaan fotosel berdasarkan nanoantenna yang beroperasi dengan membetulkan arus secara langsung yang teraruh dalam antena kecil (kira-kira 200-300 nm) oleh cahaya (iaitu, sinaran elektromagnet dengan frekuensi kira-kira 500 THz). Nanoantenna tidak memerlukan bahan mentah yang mahal untuk pengeluaran dan mempunyai potensi kecekapan sehingga 85%.

Nilai kecekapan maksimum fotosel dan modul,
dicapai dalam keadaan makmal

taip	Pekali penukaran fotoelektrik, %
silikon
Si (hablur)	24,7
Si (polikristalin)	20,3
Si (transmisi filem nipis)	16,6
Si (submodul filem nipis)	10,4
III-V
GaAs (hablur)	25,1
GaAs (filem nipis)	24,5
GaAs (polikristalin)	18,2
InP (hablur)	21,9
Filem nipis chalcogenides
CIGS (fotosel)	19,9
CIGS (submodul)	16,6
CdTe (fotosel)	16,5
Silikon amorfus/Nanokristalin
Si (amorfus)	9,5
Si (nanokristalin)	10,1
Fotokimia
Berasaskan pewarna organik	10,4
Berdasarkan pewarna organik (submodul)	7,9
organik
Polimer organik	5,15
Berbilang lapisan
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (filem nipis)	25,8
a-Si/mc-Si (submodul nipis)	11,7

Faktor yang mempengaruhi kecekapan fotosel

Ciri-ciri struktur fotosel menyebabkan penurunan prestasi panel dengan peningkatan suhu.

daripada ciri prestasi panel fotovoltaik menunjukkan bahawa untuk mencapai kecekapan terbesar yang diperlukan pemilihan yang betul rintangan beban. Untuk melakukan ini, panel fotovoltaik tidak disambungkan terus kepada beban, tetapi gunakan pengawal kawalan sistem fotovoltaik yang menyediakan mod optimum operasi panel.

Pengeluaran

Selalunya fotosel tunggal tidak menghasilkan kuasa yang mencukupi. sebab tu jumlah tertentu sel fotovoltaik disambungkan ke dalam apa yang dipanggil modul solar fotovoltaik dan tetulang dipasang di antara plat kaca. Perhimpunan ini boleh diautomatikkan sepenuhnya.



Baru-baru ini, satu persidangan "Generasi Baharu Penjelajah Suborbital" telah diadakan di Colorado, di mana, khususnya, projek untuk pembinaan stesen suria angkasa telah dibincangkan. Dan jika sebelum ini tiada siapa yang mengambil serius idea-idea sedemikian, kini ia benar-benar hampir untuk dilaksanakan.

Oleh itu, Kongres AS sedang menyediakan rancangan untuk peralihan beransur-ansur Amerika daripada bahan api fosil kepada tenaga angkasa. Jabatan angkasa lepas yang dicipta khas akan bertanggungjawab untuk pelaksanaan projek itu, Jabatan Tenaga dan organisasi lain akan memainkan peranan aktif dalam kerjanya.

Menjelang Oktober tahun ini, Jabatan Kehakiman mesti menyerahkan kepada Kongres semua perubahan yang diperlukan dan tambahan kepada undang-undang persekutuan semasa untuk memulakan pembinaan loji kuasa solar angkasa. Sebagai sebahagian daripada program itu, pada peringkat awal ia dirancang untuk membangunkan sistem pendorong angkasa nuklear untuk menggunakan kapal angkasa yang boleh diguna semula untuk logistik angkasa dan pembinaan loji tenaga solar di orbit.

Teknologi juga sedang dalam pembangunan aktif untuk menukar cahaya matahari kepada elektrik dan teleport ke Bumi.

Khususnya, pakar dari Institut Teknologi California mencadangkan untuk menerangi planet menggunakan "permaidani terbang" orbit. Ini adalah sistem 2,500 panel, 25 mm tebal dan 2/3 padang bola sepak panjang. Elemen stesen sedemikian akan dihantar ke orbit oleh roket seperti Sistem Pelancaran Angkasa, kenderaan pelancar super berat Amerika yang dibangunkan oleh NASA. Loji kuasa angkasa sedang diwujudkan sebagai sebahagian daripada SSPI (Space Solar Power Initiative), perkongsian antara California Tech University dan Northrup Grumman. Yang terakhir telah melabur $17.5 juta untuk membangunkan komponen teras sistem dalam tempoh tiga tahun akan datang. Inisiatif itu juga disokong oleh penyelidik di Makmal Pendorong Jet NASA.

Menurut profesor Caltech Harry Atwater, yang mengetuai Inisiatif Tenaga Suria Angkasa, "karpet ajaib" menukar tenaga suria kepada gelombang radio dan menghantarnya ke bumi. Tenaga akan dihantar menggunakan prinsip tatasusunan berperingkat yang digunakan dalam sistem radar. Ini akan mencipta aliran yang bergerak ke mana-mana arah.

Panel solar terdiri daripada jubin berukuran 10x10 cm dan berat kira-kira 0.8 g, yang akan memastikan kos yang agak rendah untuk melancarkan struktur. Setiap jubin akan menghantar tenaga yang ditukar secara autonomi dan jika salah satu daripadanya gagal, selebihnya akan terus berfungsi. Kehilangan beberapa unsur akibat suar suria atau meteorit kecil tidak akan membahayakan loji kuasa. Menurut saintis, dengan pengeluaran besar-besaran, kos elektrik dari sumber tersebut akan lebih rendah daripada apabila menggunakan arang batu atau gas asli.

Peratusan pemasangan solar yang dipasang di tanah dalam baki keseluruhan bekalan tenaga di banyak negara di seluruh dunia menjadi semakin tinggi. Tetapi keupayaan loji kuasa sedemikian adalah terhad: pada waktu malam dan dalam awan tebal, panel solar kehilangan keupayaannya untuk menjana elektrik. sebab tu pilihan ideal— letakkan loji tenaga suria di orbit di mana siang tidak memberi laluan kepada malam, dan awan tidak mewujudkan halangan antara Matahari dan panel. Kelebihan utama membina loji kuasa di angkasa adalah potensi kecekapannya. Panel solar yang terletak di angkasa boleh menjana tenaga sepuluh kali ganda lebih banyak daripada bateri yang terletak di permukaan Bumi.

Idea loji kuasa orbit telah dibangunkan untuk masa yang lama; saintis dari NASA dan Pentagon telah terlibat dalam penyelidikan serupa sejak tahun 60-an. Sebelum ini, pelaksanaan projek sebegini dihalang oleh kos pengangkutan yang tinggi, tetapi dengan perkembangan teknologi, loji kuasa angkasa mungkin menjadi kenyataan pada masa hadapan.

Sudah ada beberapa projek yang menarik untuk pembinaan pemasangan solar di orbit. Sebagai tambahan kepada Inisiatif Tenaga Suria Angkasa, Amerika sedang membangunkan panel suria orbit yang akan menyerap sinaran suria dan menghantar pancaran elektron menggunakan gelombang radio ke penerima di bumi. Penulis pembangunan adalah pakar dari Makmal Penyelidikan Tentera Laut AS. Mereka membina modul solar padat dengan panel fotovoltaik pada satu sisi. Di dalam panel terdapat elektronik yang menukarkan arus terus kepada frekuensi radio untuk penghantaran isyarat, sebelah lagi menyokong antena untuk menghantar pancaran elektron ke Bumi.

Menurut pengarang utama pembangunan, Paul Jaffe, semakin rendah frekuensi pancaran elektron yang membawa tenaga, semakin dipercayai penghantarannya kepada cuaca buruk. Dan pada frekuensi 2.45 GHz, anda boleh menerima tenaga walaupun semasa musim hujan. Penerima solar akan menyediakan tenaga untuk semua operasi ketenteraan penjana diesel boleh dilupakan selama-lamanya.

Amerika Syarikat bukan satu-satunya negara yang merancang untuk menerima tenaga elektrik dari angkasa. Perjuangan sengit untuk sumber tenaga tradisional telah memaksa banyak negeri mencari sumber tenaga alternatif.

Agensi penerokaan angkasa Jepun JAXA telah membangunkan platform fotovoltaik untuk pemasangan di orbit Bumi. Tenaga suria yang dikumpul menggunakan pemasangan itu akan dibekalkan kepada stesen penerima di Bumi dan ditukar kepada elektrik. Tenaga suria akan dikumpulkan pada ketinggian 36 ribu km.

Sistem sedemikian, yang terdiri daripada satu siri tanah dan stesen orbit, sepatutnya mula beroperasi pada 2030, jumlah kapasitinya ialah 1 GW, yang setanding dengan standard loji tenaga nuklear. Untuk mencapai matlamat ini, Jepun merancang untuk membina pulau buatan sepanjang 3 km, di mana rangkaian 5 bilion antena akan digunakan untuk menukar gelombang radio frekuensi ultra tinggi kepada elektrik. Penyelidik JAXA Susumi Sasaki, yang mengetuai pembangunan itu, yakin bahawa meletakkan bateri solar di angkasa akan membawa kepada revolusi tenaga, menjadikannya mungkin dari masa ke masa untuk meninggalkan sepenuhnya sumber tenaga tradisional.

China mempunyai rancangan yang sama, yang akan membina loji tenaga solar di orbit Bumi yang lebih besar daripada Stesen Angkasa Antarabangsa. Jumlah kawasan panel solar pemasangan akan menjadi 5-6 ribu meter persegi. km. Menurut pengiraan pakar, stesen sebegitu akan mengumpul sinaran suria 99% daripada masa, dan panel suria angkasa akan dapat menjana 10 kali lebih banyak tenaga elektrik bagi setiap unit kawasan daripada rakan sejawatannya di darat. Diandaikan bahawa tenaga elektrik yang dijana akan ditukar kepada gelombang mikro atau pancaran laser untuk dihantar ke pengumpul tanah. Pembinaan dijadualkan bermula pada 2030, dan projek itu akan menelan belanja kira-kira $1 trilion.

Jurutera seluruh dunia sedang menilai kemungkinan membina loji kuasa ruang suria bukan sahaja di orbit, tetapi juga di kawasan yang lebih dekat dengan Matahari, berhampiran Mercury. Dalam kes ini, hampir 100 kali lebih kurang panel solar akan diperlukan. Dalam kes ini, peranti penerima boleh dialihkan dari permukaan Bumi ke stratosfera, yang akan membolehkan pemindahan tenaga yang cekap dalam julat milimeter dan submilimeter.

Projek untuk loji kuasa solar lunar juga sedang dibangunkan.

Sebagai contoh, syarikat Jepun Shimizu mencadangkan untuk mewujudkan tali pinggang panel solar yang meregangkan sepanjang khatulistiwa Bulan sejauh 11 ribu km dan lebar 400 km.

Ia akan diletakkan di bahagian belakang satelit Bumi supaya sistem sentiasa terdedah kepada sinaran matahari. Panel boleh disambungkan menggunakan kabel kuasa konvensional atau sistem optik. Tenaga elektrik yang dijana dirancang untuk dihantar menggunakan antena besar dan diterima menggunakan penerima khas di Bumi.

Secara teorinya, projek itu kelihatan hebat, yang tinggal hanyalah memikirkan cara menghantar ratusan ribu panel ke satelit Bumi dan memasangnya di sana, serta cara menghantar tenaga dari Bulan ke planet kita tanpa kehilangan bahagian penting daripadanya di sepanjang jalan: selepas semua, anda perlu meliputi 364 ribu km. Jadi idea-idea untuk mencipta loji kuasa bulan terlalu jauh dari realiti dan jika ia direalisasikan, ia tidak akan lama lagi.

Tatyana Gromova

Lebih enam puluh tahun yang lalu, era tenaga suria praktikal bermula. Pada tahun 1954, tiga saintis Amerika memperkenalkan dunia kepada sel suria berasaskan silikon yang pertama. Prospek untuk menerima elektrik percuma telah direalisasikan dengan cepat, dan terkemuka pusat saintifik seluruh dunia mula mengusahakan penciptaan loji tenaga solar. "Pengguna" pertama panel solar ialah industri angkasa lepas. Di sini, lebih daripada di tempat lain, sumber tenaga boleh diperbaharui diperlukan, kerana bateri di atas kapal pada satelit dengan cepat menghabiskan sumbernya.

Dan hanya empat tahun kemudian, panel solar di angkasa memulakan tugas mereka yang tidak terbatas. Pada Mac 1958, Amerika Syarikat melancarkan satelit dengan panel solar di atas kapal. Kurang daripada dua bulan kemudian, pada 15 Mei 1958, Kesatuan Soviet melancarkan Sputnik 3 ke dalam orbit elips mengelilingi Bumi dengan panel solar di atas kapal.

Loji tenaga solar domestik pertama di angkasa

Panel solar silikon dipasang di bahagian bawah dan hidung Sputnik 3. Susunan ini memungkinkan untuk menerima elektrik tambahan hampir secara berterusan, tanpa mengira kedudukan satelit di orbit berbanding matahari.

Satelit buatan ketiga. Panel solar kelihatan jelas

Bateri onboard menghabiskan hayat perkhidmatannya dalam masa 20 hari, dan pada 3 Jun 1958, kebanyakan instrumen yang dipasang pada satelit telah dinyahtenagakan. Walau bagaimanapun, peranti untuk mengkaji sinaran Matahari, pemancar radio yang menghantar maklumat yang diterima ke tanah, dan suar radio terus berfungsi. Selepas bateri on-board habis, peranti ini dikuasakan sepenuhnya oleh panel solar. Suar radio beroperasi hampir sehingga satelit terbakar di atmosfera Bumi pada tahun 1960.

Pembangunan fototenaga ruang domestik

Pereka bentuk memikirkan tentang bekalan kuasa untuk kapal angkasa walaupun pada peringkat reka bentuk kenderaan pelancaran pertama. Lagipun, bateri tidak boleh diganti di angkasa, yang bermaksud bahawa hayat perkhidmatan aktif kapal angkasa hanya ditentukan oleh kapasiti bateri di atas kapal. Satelit bumi buatan pertama dan kedua hanya dilengkapi dengan bateri on-board, yang telah habis selepas beberapa minggu beroperasi. Bermula dengan satelit ketiga, semua kapal angkasa berikutnya dilengkapi dengan panel solar.

Pemaju dan pengilang utama loji tenaga solar angkasa ialah syarikat penyelidikan dan pengeluaran Kvant. Panel solar Kvant dipasang pada hampir semua kapal angkasa domestik. Pada mulanya ia adalah sel suria silikon. Kuasa mereka dihadkan oleh kedua-dua dimensi dan berat yang diberikan. Tetapi kemudian para saintis Kvant membangun dan mengeluarkan sel suria pertama di dunia berdasarkan semikonduktor yang benar-benar baru - gallium arsenide (GaAs).

Di samping itu, panel helium yang benar-benar baru telah dimasukkan ke dalam pengeluaran, yang tidak mempunyai analog di dunia. Produk baharu ini ialah panel helium yang sangat cekap pada substrat dengan struktur jaringan atau tali.

Panel helium dengan sandaran jaringan dan tali

Panel helium silikon dengan kepekaan dua arah telah direka dan dihasilkan khusus untuk pemasangan pada kapal angkasa orbit rendah. Sebagai contoh, untuk segmen Rusia stesen angkasa antarabangsa (kapal angkasa Zvezda), panel berasaskan silikon dengan kepekaan dua arah telah dihasilkan, dan kawasan satu panel ialah 72 m².

Bateri solar kapal angkasa Zvezda

Sel suria fleksibel dengan ciri graviti tentu yang sangat baik juga dibangunkan berdasarkan silikon amorf dan dimasukkan ke dalam pengeluaran: dengan berat hanya 400 g/m², bateri ini menjana elektrik dengan penunjuk 220 W/kg.

Bateri gel fleksibel berdasarkan silikon amorf

Untuk meningkatkan kecekapan sel suria, penyelidikan dan ujian berasaskan tanah yang meluas telah dijalankan untuk mendedahkan kesan negatif Big Space pada panel helium. Ini memungkinkan untuk beralih kepada pengeluaran bateri solar untuk pelbagai jenis kapal angkasa dengan tarikh akhir kerja aktif sehingga 15 tahun.

kapal angkasa misi Venus

Pada November 1965, dengan selang empat hari, dua kapal angkasa, Venera 2 dan Venera 3, dilancarkan ke jiran terdekat kami, Venus. Ini adalah dua kuar angkasa yang sama, tugas utamanya ialah mendarat di Zuhrah. Kedua-dua kapal angkasa itu dilengkapi dengan panel solar berasaskan galium arsenide, yang telah membuktikan diri mereka pada kenderaan berhampiran Bumi sebelum ini. Semasa penerbangan, semua peralatan kedua-dua probe berfungsi tanpa gangguan. 26 sesi komunikasi telah dijalankan dengan stesen Venera-2, dan 63 dengan stesen Venera-3 Oleh itu, kebolehpercayaan tertinggi bateri solar jenis ini telah disahkan.

Disebabkan kegagalan dalam peralatan kawalan, komunikasi dengan Venera 2 terputus, tetapi stesen Venera 3 meneruskan perjalanannya. Pada akhir Disember 1965, berikutan arahan dari Bumi, trajektori telah diperbetulkan, dan pada 1 Mac 1966, stesen itu sampai ke Venus.

Data yang diperoleh hasil daripada penerbangan kedua-dua stesen ini telah diambil kira dalam penyediaan misi baru, dan pada bulan Jun 1967 stesen automatik baru, Venera-4, telah dilancarkan ke arah Venus. Sama seperti dua pendahulunya, ia dilengkapi dengan panel solar gallium arsenide dengan keluasan keseluruhan 2.4 m². Bateri ini menyokong operasi hampir semua peralatan.

Stesen "Venera-4". Di bawah ialah modul keturunan

Pada 18 Oktober 1967, selepas modul penurunan dipisahkan dan memasuki atmosfera Venus, stesen itu meneruskan kerjanya di orbit, termasuk berfungsi sebagai penyampai isyarat daripada pemancar radio kenderaan turun ke Bumi.

Kapal angkasa misi Luna

Bateri solar berasaskan gallium arsenide ialah Lunokhod-1 dan Lunokhod-2. Bateri solar kedua-dua peranti telah dipasang pada penutup berengsel dan berkhidmat dengan setia sepanjang tempoh operasi. Lebih-lebih lagi, pada Lunokhod-1, program dan sumber yang direka untuk sebulan operasi, bateri bertahan tiga bulan, tiga kali lebih lama daripada yang dirancang.

Lunokhod-2 bekerja di permukaan Bulan selama lebih empat bulan, meliputi jarak 37 kilometer. Ia masih boleh berfungsi jika peralatan tidak terlalu panas. Alat itu jatuh ke dalam kawah segar dengan tanah gembur. Saya tergelincir untuk masa yang lama, tetapi akhirnya saya dapat keluar dengan gear undur. Apabila dia memanjat keluar dari lubang itu, sejumlah kecil tanah jatuh di atas penutup dengan panel solar. Untuk mengekalkan rejim terma tertentu, panel solar yang dilipat diturunkan ke penutup atas petak perkakasan pada waktu malam. Selepas meninggalkan kawah dan menutup penutup, tanah daripadanya jatuh ke petak perkakasan, menjadi sejenis penebat haba. Pada siang hari suhu meningkat melebihi seratus darjah, peralatan tidak tahan dan gagal.

Panel solar moden, yang dihasilkan menggunakan teknologi nano terkini, menggunakan bahan semikonduktor baharu, telah memungkinkan untuk mencapai kecekapan sehingga 35% dengan pengurangan berat yang ketara. Dan panel helium baharu ini berfungsi dengan setia pada semua peranti yang dihantar ke orbit berhampiran Bumi dan ke angkasa lepas.