Это фотоэлектрические преобразователи - полупроводниковые устройства, преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток. Проще говоря, это основные элементы устройства, которое мы называем «солнечными батареями». С помощью таких батарей на космических орбитах работают искусственные спутники Земли. Делают такие батареи у нас в Краснодаре - на заводе «Сатурн». Руководство завода пригласило автора этого блога посмотреть на производственный процесс и рассказать о нем у себя в дневнике.

1. Предприятие в Краснодаре входит в структуру Федерального космического агентства, но владеет «Сатурном» компания «Очаково», которая в буквальном смысле спасла это производство в 90-е годы. Владельцы «Очаково» выкупили контрольный пакет акций, который чуть было не ушел к американцам. «Очаково» вложила сюда большие средства, закупила современное оборудование, сумела удержать специалистов и теперь «Сатурн» - один из двух лидеров на российском рынке производства солнечных и аккумуляторных батарей для нужд космической отрасли - гражданской и военной. Вся прибыль, которую получает «Сатурн», остается здесь, в Краснодаре, и идет на развитие производственной базы.

2. Итак, всё начинается здесь - на участке т.н. газофазной эпитаксии. В этом помещении стоит газовый реактор, в котором на подложке из германия в течение трех часов выращивается кристаллический слой, который будет служить основой для будущего фотоэлемента. Стоимость такой установки - около трех миллионов евро.

3. После этого подложке предстоит пройти еще долгий путь: на обе стороны фотоэлемента нанесут электрические контакты (причем, на рабочей стороне контакт будет иметь «рисунок-гребенку», размеры которой тщательно рассчитываются, чтобы обеспечить максимальное прохождение солнечного света), на подложке появится просветляющее покрытие и т.д. - всего более двух десятков технологических операций на различных установках, прежде чем фотоэлемент станет основой солнечной батареи.

4. Вот, например, установка фотолитографии. Здесь на фотоэлементах формируются «рисунки» электрических контактов. Машина производит все операции автоматически, по заданной программе. Здесь и свет соответствующий, который не вредит светочувствительному слою фотоэлемента - как раньше, в эпоху аналоговой фотографии, мы пользовались «красными» лампами.

5. В вакууме установки напыления с помощью электронного луча наносятся электрические контакты и диэлектрики, а также наносятся просветляющие покрытия (они увеличивают ток, вырабатываемый фотоэлементом на 30%).

6. Ну вот, фотоэлемент готов и можно приступать к сборке солнечной батареи. К поверхности фотоэлемента припаиваются шины, чтобы потом соединить их друг с другом, а на них наклеивается защитное стекло, без которого в космосе, в условиях радиации, фотоэлемент может не выдержать нагрузок. И, хотя толщина стекла всего 0,12 мм, батарея с такими фотоэлементами будет долго работать на орбите (на высоких орбитах больше пятнадцати лет).

7. Электрическое соединение фотоэлементов между собой осуществляется серебряными контактами (их называют шинками) толщиной всего 0,02 мм.

8. Чтобы получить нужное напряжение в сети, вырабатываемое солнечной батареей, фотоэлементы соединяются последовательно. Вот так выглядит секция последовательно соединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей - так правильно).

9. Наконец, солнечная батарея собрана. Здесь показана только часть батареи – панель в формате макета. Таких панелей на спутнике может быть до восьми, в зависимости от того, какая нужна мощность. На современных спутниках связи она достигает 10 кВт. Такие панели будут смонтированы на спутнике, в космосе они раскроются, как крылья и с их помощью мы будем смотреть спутниковое телевидение, пользоваться спутниковым интернетом, навигационными системами (спутники «Глонасс» используют краснодарские солнечные батареи).

10. Когда космический аппарат освещается Солнцем, вырабатываемая солнечной батареей электроэнергия питает системы аппарата, а избыток энергии запасается в аккумуляторной батарее. Когда космический аппарат находится в тени от Земли, аппаратом используется электроэнергия, запасенная в аккумуляторной батарее. Никель-водородная батарея, обладая высокой энергоемкостью (60 Вт ч/кг) и практически неисчерпаемым ресурсом, широко используется на космических аппаратах. Производство таких батарей - еще одна часть работы завода «Сатурн». На этом снимке сборку никель-водородной аккумуляторной батареи производит кавалер медали ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени Анатолий Дмитриевич Панин.

11. Участок сборки никель-водородных аккумуляторов. Начинка аккумулятора подготавливается к размещению в корпусе. Начинка - это положительные и отрицательные электроды, разделённые сепараторной бумагой - в них и происходит преобразование и накопление энергии.

12. Установка для электронно-лучевой сварки в вакууме с помощью которой изготавливается корпус аккумулятора из тонкого металла.

13. Участок цеха, где корпуса и детали аккумуляторов испытываются на воздействие повышенного давления. В связи с тем, что накопление энергии в аккумуляторе сопровождается образованием водорода, и давление внутри аккумулятора повышается, испытания на герметичность - неотъемлемая часть процесса изготовления аккумуляторов.

14. Корпус никель-водородного аккумулятора - очень важная деталь всего устройства, работающего в космосе. Корпус рассчитан на давление 60 кг·с/см 2 , при испытаниях разрыв произошел при давлении 148 кг·с/см 2 .

15. Проверенные на прочность аккумуляторы заправляют электролитом и водородом, после чего они готовы к работе.

16. Корпус никель-водородной аккумуляторной батареи изготавливается из специального сплава металлов и должен быть механически прочным, легким и обладать высокой теплопроводностью. Аккумуляторы устанавливаются в ячейки и между собой не соприкасаются.

17. Аккумуляторы и собранные из них батареи подвергаются электрическим испытаниям на установках собственного производства. В космосе уже невозможно будет ничего поправить и заменить, поэтому здесь тщательно испытывают каждое изделие.

18. Вся космическая техника подвергается испытаниям на механические воздействия с помощью вибрационных стендов, которые имитируют нагрузки при выведении космического аппарата на орбиту.

19. В целом завод «Сатурн» произвел самое благоприятное впечатление. Производство хорошо организовано, цеха чистые и светлые, народ работает квалифицированный, общаться с такими специалистами - одно удовольствие и очень интересно человеку, хоть в какой-то степени интересующемуся нашим космосом. Уезжал с «Сатурна» в отличном настроении - всегда приятно посмотреть у нас на место, где не занимаются пустой болтовней и не перекладывают бумажки, а делают настоящее, серьезное дело, успешно конкурируют с такими же производителями в других странах. Побольше бы в России такого.

В 1945 году были получены данные разведки об использовании в армии США радиопереговорных устройств. Об этом было доложено И.В. Сталину, который незамедлительно организовал выпуск постановления об оснащении Советской армии средствами радиосвязи. Был создан Элементный электро-гальванический институт, впоследствии названный "Квант". За короткое время коллективу института удалось создать широкую серию источников тока, необходимых для средств радиотехнической связи.

Николай Степанович Лидоренко возглавлял Научно-производственное предприятие (НПП) "Квант" с 1950 по 1984 годы.

С 1950 года институт занимался созданием электрогенерирующих систем для проекта "Беркут". Суть проекта состояла в создании системы противоракетной обороны Москвы с использованием зенитных ракет. Н.С. Лидоренко был вызван в Третье главное управление при Совете Министров, и ему было предложено возглавить работы по данной тематике, в то время секретной. Необходимо было создать систему обеспечения электроэнергией зенитной установки и самой ракеты в полете. Использование генерирующих устройств на основе обычных кислотных электролитов в ракете было невозможно. Н.С. Лидоренко поставил задачу проработать источники тока с солевыми (не водосодержащими) электролитами. Соль как электролит упаковывалась в сухом виде. Во время пуска ракеты внутри аккумулятора в нужный момент срабатывал пиропатрон, тепло расплавляло соль, и только после этого вырабатывался электрический ток. Этот принцип был использован в системе С-25.

В 1950 году к Н.С. Лидоренко обратился Сергей Павлович Королев, работавший над ракетой Р-2. Полет многоступенчатой ракеты превращался в сложный технологический процесс. Коллективом, руководимым Н.С. Лидоренко, были создны автономные системы энергообеспечения ракеты Р-2, а впоследствии, и для ракеты следующего поколения Р-5. Требовались источники питания большой мощности: необходимо было обеспечить питанием не только электросхемы самой ракеты, но и ядерные заряды. Для этих целей предполагалось использовать тепловые батареи.

В сентябре 1955 года было начато строительство атомной подводной лодки К-3 "Ленинский комсомол". Это был вынужденный ответ на введение в строй в январе 1955 американской атомной подводной лодки "Наутилус". Одним из самых уязвимых звеньев оказались аккумуляторы. В качестве источников ток Н.С. Лидоренко предложил использовать элементы на основе серебра и цинка. Энергоемкость аккумулятора была увеличена в 5 раз, так что устройства способны были давать порядка 40000 ампер/часов, с 1 млн Дж в пучке. Уже через два года "Ленинский комсомол" вышел на боевое дежурство. Были продемонстрированы надежность и эффективность созданных под руководством Н.С. Лидоренко аккумуляторных устройств, которые оказались в 3 раза мощнее их американского аналога.

Следующим этапом деятельности Н.С. Лидоренко была разработка электрических батарей для торпед. Сложность состояла в необходимости самостоятельных источников питания при малом объеме, однако она была успешно преодолена.

Особое место занимают работы над созданием знаменитой Королёвской "семерки" - ракеты Р-7. Исходным пунктом в проведении масштабных работ по ракетной тематике было Постановление Совета Министров СССР от 13 мая 1946 года, подписанное И.В. Сталиным. В наше время некоторые журналисты тенденциозно пытаются объяснить то внимание, которое уделяло руководство нашей страны космическим проектам, в первую очередь военными интересами. Это далеко не так, о чем свидетельствуют имеющиеся документальные материалы того времени. Хотя, безусловно, бывали и исключения. Так, Н.С. Хрущев несколько раз с недоверием читал докладные записки С.П. Королёва, но вынужден был отнестись к проблеме серьезно только после сообщения Председателя КГБ о неудачном запуске американской ракеты "Ред Стоун", из которого следовало, что американская машина способна вывести на орбиту спутник размером примерно с апельсин. Но для самого Королёва гораздо более существенно было то, что ракета Р-7 способна была лететь в Космос.

4 октября 1957 года был произведен успешный запуск Первого в мире искусственного спутника Земли. Автономная системы энергопитания спутника была разработана Н.С. Лидоренко.

Второй советский спутник был запущен с собакой Лайкой на борту. Системы, созданные под руководством Н.С. Лидоренко, обеспечивали жизнедеятельность на спутнике с множеством источника тока различного назначения и конструкции.

В этот период Н.С. Лидоренко пришел к пониманию возможности использования в то время нового, бесконечного источника питания - Солнечного света. Солнечная энергия преобразовывалась в электрическую с помощью фотоэлементов на основе кремниевых полупроводников. В то время был завершен цикл фундаментальных работ по физике, и были открыты фотоэлементы (фотопреобразователи), работающие по принципу преобразования падающего солнечного фотонного излучения.

Именно этот источник - солнечные батареи - был основным и практически бесконечным источником энергии для третьего Советского искусственного спутника Земли - автоматической орбитальной научной лаборатории, весившей около полутора тонн.

Началась подготовка к первому полету в Космос человека. Бессонные ночи, долгие часы напряженной работы... И вот, настал этот день. Вспоминает Н.С. Лидоренко: "Всего за день до Гагаринского старта, на Совете Главных конструкторов, решается вопрос... Молчат. Королев: "Ну так, еще раз, какое ваше мнение?" Опять зал молчит. "Так я принимаю мочание за знак согласия". Королёв расписывается, и мы все - двенадцать подписей сзади, и полетел Гагарин..."

За месяц до полёта Гагарина - 4 марта 1961 года - в первые в истории был осуществлен перехват боеголовки стратегической ракеты. Источником питания принципиально нового вида техники - противоракеты В-1000 - была батарея, созданная объединением "Квант".

В 1961 году началась также работа над созданием космических аппаратов класса "Зенит" - со сложными системами единого питания из больших блоков, в которые входило от 20 до 50 батарей.

В ответ на событие 12 апреля 1961 года, президент США Джон Кеннеди заявил: "Русские открыли это десятилетие. Мы закроем его". Он сообщил о намерении отправить человека на Луну.

В США всерьез начали думать о размещении оружия в космосе. В начале 60-х американские военные и политики строили планы милитаризации Луны - идеального места для командного пункта и военной ракетной базы. Из слов Стэнли Гарднера, командующего ВВС США: "Через два или три десятилетия Луна по своему экономическому, техническому и военному значению будет иметь в наших глазах не меньше ценности, чем те или иные ключевые районы на Земле, ради обладания которыми происходили основные военные столкновения".

Физик Ж. Алферов провел серию исследований по свойствам гетероструктурных полупродников - рукотворных кристаллов, созданных методом послойного напыления различных компонентов в один атомный слой.

Н.С. Лидоренко принял решение о немедленном внедрении в масштабный эксперимент и технику этой теории. На Советском автоматическом космическом аппарате - Луноходе впервые в мире были установлены солнечные батареи, работающие на арсениде галлия и способные выдерживать высокие температуры свыше 140-150 градусов Цельсия. Батареи были установлены на откидной крышке Лунохода. 17 ноября 1970 года в 7 часов 20 минут по Московскому времени Луноход-1 коснулся поверхности Луны. Из Центра управления полётом поступила команда на включение солнечных батарей. Долгое время от солнечных батарей не было отклика, но затем сигнал прошел, и солнечные батареи прекрасно показали себя за всё время работы аппарата. За первый день Луноход прошел 197 метров, за второй - уже полтора километра.. Через 4 месяца, 12 апреля, возникли трудности: Луноход попал в кратер... В конце концов было принято рискованное решение - закрыть крышку с солнечной батареей и пробиваться вслепую назад. Но риск оправдался.

Коллективом "Кванта" была примерно в это же время решена задача создания прецизионной системы термолигулирования повышенной надёжности, которая допускала отклонения температуры в помещении не более 0,05 градуса. Установка успешно работает в Мавзолее В.И. Ленина уже более 40 лет. Она оказалась востребованной и в ряде других стран.

Важнейшим этапом деятельности Н.С. Лидоренко было создание систем энергообеспечения пилотируемых орбитальных станций. В 1973 году на орбиту была выведена первая из таких станций - станция "Салют" - с огромными крыльями солнечных батарей. Это было важным техническим достижением специалистов "Кванта". Солнечные батареи были составлены из панелей из арсенида галлия. Во время работы станции на освещенной Солнцем стороне Земли избыток электроэнергии переводился в электрические аккумуляторы, и эта схема давала практически неиссякаемое энергоснабжение космического корабля.

Успешная и эффективная работа солнечных батарей и основанных на их использовании систем энергообеспечения на станциях "Салют", "Мир" и других космических аппаратах подтвердила правильность стратегии развития космической энергетики, предложенной Н.С. Лидоренко.

В 1982 году за создание систем космической энергетики коллектив НПП "Квант" был награжден Орденом Ленина.

Созднные коллективом "Кванта", руководимым Н.С. Лидоренко, источники электропитания питают практически все военные и космические системы нашей страны. Разработки этого коллектива называют кровеносной системой отечественного оружия.

В 1984 году Николай Степанович оставил пост Главного конструктора НПО "Квант". Он оставлял цветущее предприятие, которое называли "Империя Лидоренко".

Н.С. Лидоренко решил вернуться к фундаментальной науке. В качестве одного из направлений он решил использовать свой новый способ прикладного решения проблемы преобразования энергии. Отправной точкой стал тот факт, что человечество научилось использовать только 40% от вырабатываемой энергии. Имеются новые подходы, позволяющие увеличить надежду повысить эффективность электроэнергетики на 50% и более. Одна из основных идей Н.С. Лидоренко состоит в возможности и необходимости поиска новых фундаментальных элементарных источников энергии.

Источники материала: Материал составлен на основе данных, ранее неоднократно опубликованных в печати, а также на основе кинофильма "Ловушка для Солнца" (режиссер - А. Воробьев, эфир 19.04.1996)

Успешная и эффективная работа солнечных батарей и основанных на их использовании систем энергообеспечения космических аппаратов - подтверждение правильности стратегии развития космической энергетики, предложенной Н.С. Лидоренко.

В последующие годы многие страны заинтересовались космической солнечной энергетикой, включая Японию, Китай и несколько европейских стран.

«Многие люди заинтересовались этим, но тогда было куда меньше технических возможностей и аппаратных средств», - говорит Яффе.

В 2009 году секретарь военно-морского флота США Рэй Мабус поставил ряд задач по снижению зависимости ВМС от иностранной нефти и увеличению использования альтернативных источников энергии. В том же году Яффе получил финансирование от научно-исследовательской лаборатории ВМС США, чтобы улучшить технологию, которая преобразовывала бы солнечную энергию, собранную в космосе, в другую форму энергии, которую можно было бы передать на Землю.

Как работает технология?

Хотя технология нуждается в усовершенствовании, основная идея довольно проста. Солнце посылает фотоны, энергетические пакеты света, во всех направлениях. Обычная солнечная панель преобразует эти фотоны в электроны постоянного электрического тока. Потом постоянный ток преобразуется в переменный и передается через электрическую сеть.

В космосе большой проблемой является то, как завести эту энергию в сеть.

С солнечными батареями в космосе ученым нужно найти самый эффективный способ передачи постоянного тока от солнечных отражателей на Землю. Ответ: электромагнитные волны вроде тех, что используются для передачи радиочастот или разогрева еды в микроволновой печи.

«Люди могут не связывать радиоволны с передачей энергии, потому что думают о них в связи с коммуникациями, радио, телевизорами или телефонами. Они не думают о них как о переносчиках энергии», - говорит Яффе. Но мы знаем, что микроволны (одна из разновидностей электромагнитных волн) переносят энергию - их энергия нагревает нашу еду.

Яффе называет технологию, над которой работает, модулем «сэндвич». На рисунке ниже показаны похожие на зеркала солнечные отражатели, концентрирующие фотоны солнца на массиве модулей типа сэндвич. Верхняя часть сэндвича получает солнечную энергию. Антенны на нижней боковой балке посылают радиоволны на Землю.


Изображение выше выполнено без соблюдения масштабов. Модули-сэндвичи должны быть три метра длиной, но их понадобится порядка 80 000. Массив таких модулей будет длиной в девять футбольных полей, примерно с километр. Это в девять раз больше, чем .

Вернувшись на Землю, содержащие энергию радиочастоты от космических солнечных панелей будут приниматься специальной антенной - ректенной - которая может быть три километра в диаметре.

«Она будет похожа на поле, усеянное проводами. Эти элементы ректенны будут принимать входящие радиоволны и преобразовывать их в электричество», - говорит Яффе.

Мощный пучок радиоволн можно отправить в любое место на Земле, так как направление пучка можно изменить с помощью метода под названием «ретродирективное управление лучом». Достаточно отправить «пилотный сигнал» из центра принимающей станции. Спутник видит сигнал и перенастраивает передатчик для передачи радиоволн на земную станцию.

Огромным преимуществом такой системы как для военных, так и гражданских лиц будет возможность передачи энергии на удаленные базы и места, куда будет логистически сложно и невероятно дорого доставлять дизельное топливо.

Гигантский луч энергии из космоса

Гигантский пучок радиоволн, идущих вниз от космоса на Землю, может напугать большинство людей, которые видели, как инопланетный корабль использует такие лучи, чтобы взрывать города. Но на самом деле вы даже не увидите радиолуч невооруженным глазом - радиосигналы текут вокруг нас повсюду и во всех направлениях.

Хотя эти радиосигналы содержат больше энергии, чем сигнал телевизора или радио, плотность сигнала все равно будет довольно низкой и не будет угрожать людям, самолетам или птицам, пролетающим через него. Конечно, технология еще не была проверена вне лаборатории, поэтому реальных доказательств ее безопасности пока нет.

Основной проблемой такой системы остается ее стоимость. И эта проблема касается всех участвующих сторон, будь то правительство, частные или коммерческие финансовые фонды.

Трудно сказать, сколько будет стоить полномасштабная реализация космической системы солнечной станции, но явно не меньше сотен миллионов долларов. Есть определенный предел того, насколько большой объект мы можем запустить в космос, да и ракеты тоже стоят недешево. Международную космическую станцию, например, строили в космосе по частям, поскольку не было достаточно большой или мощной ракеты, чтобы запустить полную систему в космос.

Задача Яффе - произвести прототип одной секции модуля «сэндвич», но не закончить проект. Он также тестирует модули в условиях, подобных космическим, чтобы гарантировать, что они смогут противостоять и продолжать работать в невероятной теплоте солнца в космосе.

Яффе пытается найти спонсоров, чтобы обеспечить финансирование продолжению своего проекта. Но подчеркивает, что долгосрочные энергетические проекты довольно сложно продавать, особенно когда он не может показать людям технологию в действии. Яффе считает, что реальным мотиватором будет международная конкуренция, как в 1950-х годах, когда Россия разработала первый спутник и обогнала США в космической гонке. Теперь же, похоже, Япония планирует выйти в этом проекте первой.

Даже без финансирования на государственном уровне небольшие предприятия вроде Solaren полагают, что космические солнечные станции станут реальностью в ближайшем будущем. Гари Спирнка, генеральный директор Solaren, строил долгую карьеру как в правительственном, так и частном секторе космической инженерии. Он годами наблюдал за тем, как правительство планирует и замораживает проекты таких станций, поэтому больше заинтересован в частном секторе.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ). Техническим результатом изобретения является: повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ, упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ, повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит: панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ), шунтирующий диод; коммутирующие шины, соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ, при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

Рисунки к патенту РФ 2525633

Область техники

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ).

Уровень техники

К СБ предъявляются следующие требования: максимальная энергетическая эффективность при минимальной массе, сохранение электрических и механических характеристик при хранении, транспортировке на Земле и выводе на расчетную орбиту, длительный срок активного существования (САС) на орбите при минимальной деградации, которая выражается в потере мощности. У современных СБ САС достигает 15 лет и выдвигаются требования по его увеличению до 20 лет.

Основными причинами деградации на орбите являются нарушения структуры активных элементов, а именно фотопреобразователей (ФП) и диодов под действием радиации, а также нарушения, возникающие в результате воздействия изменения температуры, термоциклов. На разных орбитах различен диапазон изменения температуры и частота термоциклов. Для условий эксплуатации на геостационарной орбите верхнее значение температуры +100°C, нижнее - 170°C, количество термоциклов - 2000. На низких орбитах диапазон изменения температуры меньше, верхнее значение +100°C, нижнее - 100°C, но количество термоциклов в течение срока активного существования на орбите составляет несколько десятков тысяч.

Из уровня техники известно (см. Н. S. Rauschenbach. The principles and technology of photovoltaic energy conversion. New York, 1980), что СБ состоит из отдельных генераторов, включающих цепочки солнечных элементов (СЭ), внутри генераторов встречно-параллельно с солнечными элементами устанавливают шунтирующие диоды. Помимо шунтирующих диодов для обеспечения надежной работы СБ применяется диодная защита, которая обеспечивается блокирующими диодами.

В последние годы на смену кремниевым пришли более эффективные солнечные элементы, включающие несколько каскадов гетеропереходов, на основе соединений АзВ5, которые выращены на германиевой подложке (см. P. R. Sharps, М. A. Stan, D. J. Aiken, В. Clevenger, J. S. Hill and N. S. Fatemi. High efficiebcy, multi-junction cells with monolithic bypass diodes, NASA/CP.2005-213431. Page 108-115). Каждый такой СЭ защищается диодом, расположенным с СЭ в одной плоскости, причем диод имеет такую же толщину, как и СЭ. Обычно в СЭ выполнены по углам срезы, в которых размещается диод треугольной формы (см. патенты США на изобретения US 6353176, US 6034322 и заявку США на изобретение US 2008/0000523).

Из уровня техники известна солнечная батарея космических аппаратов, расположенная на углепластиковой сотовой панели. Несущая часть сотовой панели состоит из двух слоев углепластика, между которыми расположен сотовый наполнитель из алюминиевой фольги. На углепластиковую поверхность, предназначенную для монтажа СЭ, наклеивается электроизоляционная пленка. Электрогенерирующая часть солнечной батареи (модули) состоит из солнечных элементов, последовательно или последовательно-параллельно соединенных друг с другом с помощью коммутирующих элементов с термомеханическими компенсаторами. На лицевую поверхность каждого СЭ наклеивается стеклянная пластина (см. GLOBASTAR. Solar Generator Desigh And Layout For Low Earth Orbit Application in Consideration Of Commercial Aspects And Quanlity Production. D-81663 Munich Germany).

К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ. Высокая вероятность повреждения межэлементной коммутации, выступающей над лицевой поверхностью СБ, в процессе ее изготовления и проведения регламентных работ, а также технологическая сложность изготовления межэлементной коммутации, обусловленная необходимостью размещения термомеханических компенсаторов в узких межэлементных зазорах, приводит к малой стойкости СБ к воздействию термических и механических нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является солнечная батарея космических аппаратов, содержащая панели с приклеенными на них модулями, состоящая из последовательно или последовательно-параллельно соединенных с помощью коммутирующих шин СЭ, где коммутирующие шины снабжены термомеханическими компенсаторами, а к лицевой поверхности каждого СЭ приклеена защитная стеклянная пластина, которая снабжена дополнительно приклеенными к плоской или криволинейной поверхности каркаса имеющими заданную форму и размер эластичными элементами, где внутренний объем эластичных элементов заполнен герметиком с образованием выпуклого мениска, а СЭ прижаты к эластичным элементам и зафиксированы неподвижно, а коммутирующие шины с термомеханическими компенсаторами и шунтирующие диоды приварены или припаяны к тыльным контактам СЭ в зонах, свободных от герметика, причем термомеханические компенсаторы расположены между тыльной стороной СЭ и несущей поверхностью каркаса в зонах, свободных от герметика (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2250536).

К недостаткам известной солнечной батареи космических аппаратов относятся низкая технологичность конструкции, малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных и сварных соединений шунтирующих диодов и СЭ, плохая стойкость СБ к воздействию механических и термомеханических нагрузок. Молибденовая шина, толщиной 50 мкм и имеющая многослойное специальное покрытие, является очень жесткой. При присоединении коммутирующих шин сваркой ухудшаются электрические характеристики шунтирующих диодов, а в некоторых случаях из-за жесткой шины точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование. При повышенных температурах происходит деградация СЭ после пайки и сварки, что приводит к отслоению контактов от СЭ и, как следствие, выходу из рабочего состояния ячеек СБ.

Из уровня техники известен способ изготовления СБ космических аппаратов с шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, формирование шунтирующих диодов на лицевой стороне СЭ, соединение шунтирующих диодов и СЭ СБ космических аппаратов, соединение с помощью коммутирующих шин СЭ (см. патент США на изобретение US6635507).

К недостаткам известного способа относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации на рабочей и нерабочей сторонах. Кроме того, при присоединении коммутирующих шин сваркой возможно замыкание коммутирующей шиной слоев структуры, а точка сварки вырывается вместе со структурой подложки, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является способ изготовления СБ космических аппаратов с интегрированным шунтирующим диодом, включающий изготовление СЭ на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с углублениями для размещения дискретных шунтирующих диодов, изготовление дискретных шунтирующих диодов на основе полупроводниковой подложки, монтажа дискретных шунтирующих диодов в углубления, контактирование солнечных элементов с шунтирующими диодами с помощью коммутационных шин (см. патент США на изобретение US 5616185).

К недостаткам известного способа изготовления относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации при формировании металлизации нерабочей стороны. Кроме того, при резке на кристаллы на кремниевых монокристаллических подложках образуются трещины, а при присоединении коммутационных шин сваркой точка сварки вырывается вместе с кремнием, что приводит, как следствие, к низкому выходу годных кристаллов после испытаний на термоциклирование (термоудары).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является:

Повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ,

Упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ,

Повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что солнечная батарея малоразмерных космических аппаратов содержит:

Шунтирующий диод;

при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

В предпочтительном варианте толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм, суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм, толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.

Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов включает:

Соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих

при этом коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

В предпочтительном варианте слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°С с предварительной ионной бомбардировкой, а молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.

На фиг.1 представлен СЭ с установленными сбоку с помощью коммутирующих шин шунтирующим диодом.

На фиг.2 схематично представлена послойная структура коммутирующей

На фиг.3 представлен алгоритм способа изготовления СБ КА.

На фиг.4 представлены рассчитанные по экспериментально измеренным деформациям величины внутренних механических напряжений в слоях металлов коммутирующих шин, сформированных при различной температуре молибденовой фольги.

На фиг.4 на графиках в скобках указан оптимальный рабочий диапазон температур молибденовой фольги при напылении. На фиг.1 обозначено следующее:

1 - шунтирующий диод;

2 - коммутирующая шина, соединяющая лицевую сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);

3 - коммутирующая шина, соединяющая обратную сторону шунтирующего диода(1) с СЭ (4);

4 - солнечный элемент (СЭ);

На фиг.2 обозначено следующее:

5 - подготовленная молибденовая фольга;

6 - слой ванадия или титана;

7 - слой никеля;

8 - слой серебра.

Осуществление и пример реализации изобретения

Заявленный способ был использован при реализации групповой технологии изготовления солнечных батарей космических аппаратов и состоит из следующей последовательности технологических операций (см. фиг.3): производят изготовление солнечных элементов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки, изготовление коммутирующих шин, включающее в себя подготовку молибденовой фольги и металлизацию подготовленной молибденовой фольги методом вакуумного магнетронного напыления с двух сторон слоями ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой, затем производят отжиг молибденовой фольги с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра в вакууме при температуре 300-350°C, осуществляют приварку коммутирующих шин к шунтирующим диодам, испытывают шунтирующие диоды на термоциклирование и термоудар, соединяют солнечные элементы с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин и осуществляют выходной контроль солнечной батареи космических аппаратов.

Толщину молибденовой фольги выбирали исходя из наибольшего усилия отрыва приваренной коммутирующей шины к лицевой и обратной сторонам шунтирующего диода после проведения испытаний на термоудар.

Усилие отрыва приваренной коммутирующей шины от шунтирующего диода определяли следующим образом: подготавливали молибденовую фольгу в несколько этапов, после чего производилось утонение молибденовой фольги до следующих толщин: 6±0,1 мкм, 7,5±0,1 мкм, 10±0,1 мкм, 13±0,1 мкм. Затем на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления нанесли с двух сторон слои ванадия, никеля и серебра при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.

После чего молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигали в вакууме при температуре 300-350°C и производили вырубку из молибденовой фольги коммутирующих шин. После чего производили контрольную сварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.1).

Затем производили испытания на термоудар приваренных коммутирующих шин к шунтирующим диодам, заключающийся в проведении 450 циклов термоударов от температуры -180°C (пары жидкого азота) до 120°C на специализированном оборудовании. После чего производилось измерение электрических параметров шунтирующих диодов, которое показало незначительное повышение прямого напряжения на фоне неизменных значений токов утечки и обратного напряжения. Затем производили контроль усилия отрыва коммутирующих шин от шунтирующих диодов (см. табл.2).

В результате испытаний выявлено увеличение усилия отрыва у всех вариантов толщин коммутирующих шин от шунтирующих диодов при незначительном изменении электрических характеристик шунтирующих диодов. Исходя из таблицы 2 получено, что оптимальной толщиной молибденовой фольги является 10±0,1 мкм, так как обеспечивается максимальное усилие отрыва шины от шунтирующего диода.

Температуру молибденовой фольги при технологической операции напыления металлов выбирали исходя из минимальных напряжений в получаемой структуре (см. фиг.4). Внутренние напряжения определяли следующим образом: формировали одноконсольные микробалки методом магнетронного напыления металлических пленок V-Ni-Ag на подготовленной молибденовой фольге с фотолитографией и плазмохимическим травлением металлов. Полученные образцы одноконсольных микробалок исследовали с помощью оптического микроскопа Axio Imager фирмы Carl Zeiss при увеличении в 6000х. Проводили измерения размеров балочной конструкции и направление деформации. Форма деформации определялась по отклонению микробалок в различных точках ее длины от поверхности. После чего с помощью математической обработки по формуле Стоуни вычисляли величины напряжения балок. Кривизну балки находили, измеряя отклонение хвостовика одноконсолыюй микробалки. Указанные режимы выбирали исходя из соображений воспроизводимости технологического процесса, которая обеспечивается, если при присоединении коммутирующих шин сваркой точка сварки не вырывается (см. табл.3).

По предложенным конструкции и способу изготовления изготавливали СБ для малоразмерных КА, включающие в себя бескорпусные шунтирующие диоды треугольной формы с обратным напряжением 100 В и прямым током 2 А и каскадные фотопреобразователи на основе соединений А 3 В 5 .

До использования заявленного технического решения использовались серебряные коммутационные шины, которые приваривались к шунтирующим диодам и СЭ. Испытание диодов показало низкую стойкость к термоударам (происходило разрушение структуры после 10-15 термоударов от -180°C до +100°C), причем процент выхода годных диодов по электрическим характеристикам на этапе термоциклирования составлял не более 70% из годных диодов после сборки, а в оставшихся 30% происходило разрушение структуры в зоне приварки (межслойное разрушение по основным материалам при воздействии повышенных и пониженных температур) при контроле прочности сварного соединения. Усилие отрыва металлизации от кристалла составляло 50-100 г/мм 2 , а после использования настоящего технического решения составило более 150 г/мм 2 , в результате чего процент выхода годных диодов на этапе термоциклирования повысился до 85%.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит:

Панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ),

Шунтирующий диод;

Коммутирующие шины, приваренные к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов и соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ,

отличающаяся тем, что

коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

2. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что толщина молибденовой фольги составляет 8-12 мкм.

3. Солнечная батарея по п.2, отличающаяся тем, что суммарная толщина слоев ванадия или титана и никеля составляет 0,1-0,3 мкм.

4. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что толщина слоя серебра составляет 2,7-6 мкм.

5. Способ изготовления солнечной батареи для малоразмерных космических аппаратов, включающий:

Изготовление солнечных элементов (СЭ) на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки с вырезом в углу под шунтирующие диоды,

Изготовление шунтирующих диодов на основе фотоэлектрической полупроводниковой подложки,

Изготовление коммутирующих шин,

Приварку коммутирующих шин к лицевой и обратной сторонам шунтирующих диодов,

Установку шунтирующих диодов в вырезе в углу СЭ,

Соединение СЭ с шунтирующими диодами с помощью коммутирующих шин,

отличающийся тем, что

коммутирующие шины изготавливают многослойными из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно наносят слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра наносят последовательно с двух сторон на подготовленную молибденовую фольгу методом вакуумного магнетронного напыления при температуре молибденовой фольги 110-130°C с предварительной ионной бомбардировкой.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что молибденовую фольгу с сформированными слоями ванадия или титана, никеля и серебра отжигают в вакууме при температуре 300-350°С.

• Фантастические электростанции

Не секрет, что в русле постоянной борьбы за более продуктивную, экологическую и дешевую энергию, человечество, все чаще, прибегает к помощи альтернативных источников получения драгоценной энергии. Во многих странах, достаточно обширное количество жителей определили для себя необходимостью использование солнечных модулей для снабжения жилища электроэнергией.

Часть из них пришли к такому выводу благодаря трудным расчетам по экономии материальных средств, а некоторых сделать такой ответственный шаг вынудили обстоятельства, одно из которых труднодоступное географическое положение, обуславливающее отсутствие надежных коммуникаций. Но не только в таких труднодоступных местах нужны солнечные батареи. Существуют рубежи намного отдаленнее, нежели край земли - это космос. Солнечная батарея в космосе является единственным источником выработки необходимого количества электроэнергии.

Основы космической солнечной энергетики

Идея применять солнечные батареи в космосе впервые появилась больше полувека назад, во время первых запусков искусственных спутников земли. В тот период, в СССР, профессор и специалист в области физики, особенно в сфере электричества - Николай Степанович Лидоренко, обосновал необходимость применения бесконечных источников энергии на космических аппаратах. Такой энергией могла быть только энергия солнца, которая добывалась с помощью солнечных модулей.

В настоящее время все космические станции функционируют исключительно за счет солнечной энергии.

Большим помощником в этом деле является сам космос, так как солнечные лучи, так необходимые для процесса фотосинтеза в солнечных модулях, в избытке имеются в космическом пространстве, и нет никаких помех для их потребления.

Минусом использования солнечных батарей на околоземной орбите, может служить влияние радиации на материал изготовления фотопласти н. Благодаря такому негативному влияния происходит изменение структуры солнечных элементов, что влечет снижение выработки электроэнергии.

Фантастические электростанции

В научных лабораториях всей земли, в настоящее время, происходит схожая задача - поиск бесплатной электроэнергии от солнца. Только не в масштабах отдельного дома или города, а в размерах всей планеты. Суть этой работы состоит в том, чтобы создать огромные по своим размерам, а соответственно и выработкам энергии, солнечные модули.

Площадь таких модулей огромна и размещение их на поверхности земли повлечет много трудностей, таких как:

• значительные и свободные площади для установки приемников света,
• влияние метеоусловий на и КПД модулей,
• затраты на обслуживание и чистку солнечных панелей.

Все эти отрицательные аспекты исключают установку подобного монументального сооружения на земле. Но выход есть. Заключается он в установке гигантских солнечных модулей на околоземной орбите. При воплощении в жизнь такой идеи, человечество получает солнечный источник энергии, который всегда находится под воздействием солнечных лучей, никогда не потребует чистки от снега, и самое главное не будет занимать полезное пространство на земле.

Конечно же, тот, кто первым установит солнечные батареи для космоса, станет в будущем диктовать свои условия в мировой энергетике. Не секрет, что, запасы полезных ископаемых на нашей земле не просто не бесконечен, а наоборот с каждым днем напоминает о том, что скоро человечеству придется переходить на альтернативные источники в принудительном порядке. Именно поэтому, разработки космических солнечных модулей на земной орбите стоит в списке первоочередных задач энергетиков и специалистов, проектирующих электростанции будущего.

Проблемы размещения солнечных модулей на орбите земли

Трудности рождения таких электростанций, не только в установке, доставке и базировании солнечных модулей на околоземной орбите. Наибольшие проблемы вызывает передача, выработанной солнечными модулями, электрического тока потребителю, то есть на землю. Провода, конечно же, не протянешь, да и перевозить в контейнере не получится. Существуют почти нереальные технологии передачи энергии на расстояния без осязаемых материалов. Но такие технологии вызывают много противоречивых гипотез в научном мире.

Во первых , столь сильное излучение будет негативно влиять на обширную область приема сигнала, то есть будет происходить облучение значительного куска нашей планеты. А если таких космических станций со временем станет очень много? Это может привести к облучению всей поверхности планеты, результатом чего будут непредсказуемые последствия.

Во вторых негативным моментом может быть, частичное разрушение верхних слоев атмосферы и озонового слоя, в местах передачи энергии от электростанции к приемнику. Последствия такого рода, может предположить даже ребенок.

В довесок ко всему, существуют множество нюансов различного характера, увеличивающих отрицательные моменты, и отдаляющих момент запуска подобных устройств. Таких внештатных ситуаций может быть множество, от трудности ремонта панелей, в случае непредвиденной поломки или столкновения с космическим телом, до банальной проблемы - как утилизировать столь необычное сооружение, после окончания срока его эксплуатации.

Несмотря на все негативные моменты, деваться человечеству, как говориться, некуда. Солнечная энергия, на сегодняшний день, единственный источник энергии, который может в теории покрыть растущие потребности людей в электричестве. Ни один из существующих ныне источников энергии на земле, не может сравниться своими будущими перспективами с этим уникальным явлением.

Приблизительные сроки внедрения

Солнечная космическая электростанция давно перестала быть теоретическим вопросом. На 2040 год уже намечен первый пуск электростанции на земную орбиту. Конечно, это только пробная модель, и она далека от тех глобальных сооружений, которые планируются построить в дальнейшем. Суть такого запуска - посмотреть на практике - как будет работать такая электростанция в рабочих условиях. Страна, которая взяла на себя столь нелегкую миссию - Япония. Предполагаемая площадь батарей, теоретически, должна составить около четырех квадратных километров.

Если эксперименты покажут, что такое явление как солнечная электростанция может существовать, то основное направление солнечной энергетики получит четкий путь по освоению подобных изобретений. Если экономический аспект, не сможет остановить все дело на начальном этапе. Дело в том, что по теоретическим подсчетам, для того, чтобы вывести на орбиту полноценную солнечную электростанцию, необходимо более двухсот запусков грузовых ракетоносителей. К сведению, стоимость одного запуска тяжелого грузовика, исходя из существующей статистики, составляет примерно 0,5 - 1 миллиард долларов. Арифметика проста, и результаты ее не утешительны.

Получающаяся сумма огромна, и она пойдет только на доставку разобранных элементов на орбиту, а необходимо еще собрать весь конструктор.

Подводя итог всему сказанному, можно отметить, что создание космической солнечной электростанции дело времени, но построить такую конструкцию под силу исключительно сверхдержавам, которые смогут осилить весь груз экономического бремени от реализации процесса.