Принципы и характеристики солнечных батарей.

Солнечная батарея

Солнечная батарея представляет собой источник электрической энергии в системе энергоснабжения КА, состоящий из последовательно-параллельно соединенных полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей и несущей конструкции, на которой крепятся данные преобразователи. Такое соединение обеспечивает необходимые напряжение и силу тока.

Функционирование солнечных батарей основывается на фотогальваническом эффекте, возникающем в результате поглощения солнечных лучей полупроводником. Фотоны света содержат различное количество энергии в соответствии с различными длинами волн солнечного спектра. Только фотоны с энергией, превышающей энергию ионизации фотогальванических элементов солнечной батареи, могут быть поглощены ей.

Существует большое количество типов солнечных батарей, которые различаются по материалу, на основе которых сделана их поверхность, соответственно по степени поглощаемости энергии солнечными батареями в зависимости от свойств их материала, по эффективности работы, КПД, редукции поглощательных свойств поверхности солнечной батареи и т.д. В настоящее время в космической технике используются солнечные батареи на основе кремния, арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия. Солнечные батареи на основе фосфида индия обладают наилучшими характеристиками: высокий КПД, высокая продолжительность жизни (до 90 лет), но наиболее приемлемыми по стоимости и соответственно часто используемыми являются солнечные батареи на основе арсенида галлия, которые обладают подходящими характеристиками для длительной эксплуатации в условиях космического пространства.

Средний КПД солнечных батарей составляет от 14% до19%, что соответствует мощности около 130 Вт на 1 м² площади (при расстоянии КА от Солнца около 150 000 000 км - среднее расстояние от Земли до Солнца). С ростом температуры (свыше 25°С) происходит снижение КПД. Солнечные батареи могут функционировать в температурном диапазоне от -80°C до 100°C в зависимости от внешних тепловых потоков.

Ток солнечной батареи зависит от условий освещенности и достигает максимума при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность солнечной батареи.

Эффективность конвертации энергии солнечного света в электрический ток зависит также от температуры поверхности солнечной батареи. При повышении температуры напряжение солнечной батареи незначительно понижается, в то время как ток растёт.

Эффективность солнечной батареи также зависит от продолжительности ее эксплуатации. Деградация фотоэлектрических преобразователей на основе арсенида галлия составляет около 2.75% в год. Общераспространённые конструкции имеют от 14 до 47 Вт/кг в конце срока активного существования.

Для эффективной работы солнечных батарей необходима их ориентация на Солнце с погрешностью 10°-15°. Ориентация солнечных батарей задаётся поворотом вокруг их оси вращения, а степень освещённости солнечных батарей потоком солнечных лучей, падающих на их поверхность, характеризуется углом между нормалью к поверхности солнечной батареи и вектором направления на Солнце.

Работа солнечной батареи характеризуется генерируемой ею мощностью. Основными характеристиками солнечной батареи, влияющими на её генерируемую мощность, является коэффициент полезного действия, площадь ее поверхности, угол падения солнечных лучей на её поверхность.

33.Накопители электрической энергии университетских нано- и микроспутников, их виды и характеристики.

Накопитель электрической энергии является неотъемлемой составной частью подсистемы энергоснабжения космического аппарата. Любой космический аппарат, оснащенный фотоэлектрическим генератором электроэнергии, требует системы накопления энергии для обеспечения пикового потребления бортового оборудования и организации его энергоснабжения на неосвещенной части орбиты. Накопление электроэнергии обычно обеспечивается с помощью аккумуляторной батареи, хотя в некоторых случаях могут рассматриваться и альтернативные варианты накопителей, например на базе маховика или топливных элементов.

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея состоит из отдельных аккумуляторов, соединенных между собой последовательно. Количество аккумуляторов в батарее определяется требуемой величиной напряжения на выходных шинах подсистемы энергоснабжения. Количество электроэнергии, запасаемой в аккумуляторной батарее, или ее емкость, измеряется в ампер-часах или в ватт-часах; в последнем случае емкость в ампер-часах умножается на выходное напряжение батареи. Проектная, или паспортная емкость аккумуляторной батареи выбирается, исходя из требований по накоплению электроэнергии. Аккумуляторные батареи в подсистеме энергоснабжения могут быть соединены последовательно для повышения выходного напряжения или параллельно – для увеличения выходного тока. В любом случае возрастает и суммарная емкость системы аккумуляторных батарей в ватт-часах.

Прежде всего, мы должны стремиться обеспечить стабильность выходного напряжения на шинах подсистемы энергоснабжения во всех режимах эксплуатации космического аппарата и в течение всего срока его орбитального полета, поскольку для потребителей предпочтительны шины питания с частичным регулированием напряжения. Разница между напряжением на выходе накопителя электроэнергии в конце ее заряда и в конце разряда чаще всего и определяет диапазон изменения выходного напряжения подсистемы энергоснабжения.

Мы обычно хотим иметь плоскую кривую разрядной характеристики накопителя электроэнергии космического аппарата, которая превышала бы большую часть емкости батареи и имела бы небольшой запас по избыточному заряду аккумулятора. Обычно избыточных заряд быстро приводит к снижению энергетических характеристик большинства аккумуляторных батарей. Мы также обычно должны стремиться к согласованию электрических характеристик отдельных аккумуляторов в составе батареи. В противном случае разбалансировка процесса заряда отдельных аккумуляторов может привести к избыточной нагрузке и повреждению аккумуляторных батарей, что приводит к сокращению срока эксплуатации подсистемы энергоснабжения в целом.

Все аккумуляторы делятся на два типа – первичные и вторичные. Первичная аккумуляторная батарея (англ. primary battery) преобразует химическую энергию в электрическую, однако она не может выполнять обратное преобразование, поэтому первичные аккумуляторы не предназначены для повторного заряда. Батареи первичных аккумуляторов обычно используются для решения краткосрочных задач, либо для решения некоторых долгосрочных задач типа резервного копирования запоминающих устройств, которые требуют очень небольшой мощности. Наиболее распространенными электрохимическими системами первичных аккумуляторных батарей являются серебро – цинк, литий – тионил – хлорид, литий – двуокись серы, литий – мономолекулярный фтор; также в качестве первичных аккумуляторных батарей используются тепловые элементы.

34.Принцип работы аппаратуры регулирования и контроля подсистемы электроснабжения университетских нано- и микроспутников.

Аппаратура регулирования и контроля

Назначение и функции: управление процессом заряда/разряда аккумуляторной батареи, распределение питания между аккумуляторной батареей и шунтирующим регулятором, обеспечение обмена информацией с бортовым комплексом управления.

Состав: зарядно - разрядное устройство, включающее в себя регулятор тока, устройство распределения питания, шунтирующий регулятор.

Принцип работы аппаратуры регулирования и контроля

Управление процессом заряда аккумуляторной батареи в составе аппаратуры регулирования и контроля осуществляет зарядно - разрядное устройство. Основные компоненты аппаратуры регулирования и контроля и их взаимосвязь показаны на рисунке 1.33.

Рисунок 1.33 - Структурная схема аппаратуры регулирования и контроля

В соответствии с типом аккумуляторных батарей существуют различные методы их заряда. Литий - ионные аккумуляторные батареи очень чувствительны к неправильному заряду и разряду, который может быть причиной их повреждения. Также причиной выхода аккумуляторных батарей из строя может явиться их перезаряд, который возникает в случае, когда длительное время происходит заряд полностью заряженных аккумуляторных батарей.

Процесс разряда аккумуляторной батареи также должен находиться под контролем и основным контролируемым параметром здесь является величина тока разряда, которая может принимать различные значения и устанавливается заводом - изготовителем данной аккумуляторной батареи. В основном, рекомендуемая максимальная величина тока разряда литий - ионных аккумуляторных батарей соответствует 1С.

Для обеспечения долгосрочного функционирования аккумуляторной батареи желательно использовать только небольшую часть ее емкости, разряжая ее не более чем на 20%. То есть необходимо поддерживать уровень заряда аккумуляторной батареи выше 80% ее емкости. Данное значение называют допустимой глубиной разряда и оно может несколько отличаться от приведенного выше в зависимости от производителя аккумуляторной батареи.

Устранение избыточной электроэнергии - одно из условий нормального функционирования системы энергоснабжения КА. Избыток электроэнергии от солнечных батарей образуется вследствие полного заряда аккумуляторных батарей. В этом случае необходимо избавиться от избытка электроэнергии, так как в результате этого начинает повышаться температура солнечных батарей, что может отрицательно сказаться на их работоспособности. Для расхода избыточной электроэнергии применяется шунтирующий регулятор, представляющий из себя набор низкоомных резисторов. Распределением генерируемой электроэнергии между шунтирующим регулятором и аккумуляторными батареями в системе энергоснабжения занимается устройство распределения питания. Оно выполняет свои функции по командам бортового комплекса управления.