Материал: Энергоснабжение космических аппаратов

Первичные источники энергии

В качестве первичных источников используются различные генераторы энергии:

•          солнечные батареи;

•          химические источники тока:

•          аккумуляторы;

•          гальванические элементы;

•          топливные элементы;

•          радиоизотопные источники энергии;

•          ядерные реакторы.

В состав первичного источника входит не только собственно генератор электроэнергии, но и обслуживающие его системы, например система ориентации солнечных батарей.

Часто источники энергии комбинируют, например, солнечную батарею с химическим аккумулятором.

Топливные элементы

Топливные элементы имеют высокие показатели по массогабаритным характеристикам и удельной мощности по сравнению с парой солнечные батареи и химический аккумулятор, устойчивы к перегрузкам, имеют стабильное напряжение, бесшумны. Однако они требуют запаса топлива, потому применяются на аппаратах со сроком нахождения в космосе от нескольких дней до 1-2 месяцев.

Используются в основном водород-кислородные топливные элементы, так как водород обеспечивает наивысшую калорийность, и, кроме того, образовавшаяся в результате реакции вода может быть использована на пилотируемых космических аппаратах. Для обеспечения нормальной работы топливных элементов необходимо обеспечить отвод образующихся в результате реакции воды и тепла. Ещё одним сдерживающим фактором является относительно высокая стоимость жидкого водорода и кислорода, сложность их хранения.

Радиоизотопные источники энергии

Радиоизотопные источники энергии используют в основном в следующих случаях:

•          высокая длительность полёта;

•          миссии во внешние области Солнечной системы, где поток солнечного излучения мал;

•          разведывательные спутники с радаром бокового обзора из-за низких орбит не могут использовать солнечные батареи, но испытывают высокую потребность в энергии.

Автоматика системы энергопитания

В нее входят устройства управления работой энергоустановки, а также контроля ее параметров. Типичными задачами являются: поддержание в заданных диапазонах параметров системы: напряжения, температуры, давления, переключения режимов работы, например, переход на резервный источник питания; распознавание отказов, аварийная защита источников питания в частности по току; выдача информации о состоянии системы для телеметрии и на пульт космонавтов. В некоторых случаях возможен переход с автоматического на ручное управление либо с пульта космонавтов, либо по командам из наземного центра управления.

.1 Солнечные батареи принцип действия и устройство

В основе устройства солнечной батареи лежат генераторы напряжения, составленные из ФЭП - устройств для непосредственного преобразования солнечной световой энергии в электрическую. Действие ФЭП основано на внутреннем фотоэффекте, т.е. на появлении ЭДС под действием солнечного света.

Полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) - это устройство, в котором осуществляется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Принцип работы ФЭП основан на взаимодействии солнечного света с кристаллом полупроводника, в процессе которого фотоны освобождают в кристалле электроны - носители электрического заряда. Специально созданные под действием так называемого p-n-перехода области с сильным электрическим полем улавливают освободившиеся электроны и разделяют их таким образом, что в цепи нагрузки возникает ток и соответственно электрическая мощность.

Теперь рассмотрим несколько подробнее, хотя и со значительными упрощениями, этот процесс. Начнем с рассмотрения поглощения света в металлах и чистых полупроводниках. При попадании потока фотонов на поверхность металла часть фотонов отражается, а оставшаяся часть поглощается металлом. Энергия второй части фотонов увеличивает амплитуду колебаний решетки и скорость хаотического движения свободных электронов. Если энергия фотона довольно велика, то ее может оказаться достаточно, чтобы выбить из металла электрон, сообщив ему энергию, равную или большую, чемработа выхода данного металла. Это внешний фотоэффект. При меньшей энергии фотона его энергия в конечном счете целиком идет на нагрев металла.

Иная картина наблюдается при воздействии потока фотонов на полупроводники. В отличие от металлов кристаллические полупроводники в чистом виде (без примесей), если на них не воздействуют никакие внешние факторы (температура, электрическое поле, излучение света и т.д.), не имеют свободных электронов, оторванных от атомов кристаллической решетки полупроводника

Рис. 2.1 - Поглощение света в металлах и полупроводниках: 1 - заполненная (валентная) зона, 2 - запрещенная зона, 3 - зона проводимости, 4 - электрон

Однако, поскольку полупроводниковый материал всегда находится под воздействием какой-либо температуры (чаще всего комнатной), небольшая часть электронов может за счет тепловых колебаний приобрести энергию, достаточную для отрыва их от своих атомов. Такие электроны становятся свободными и могут принимать участие в переносе электричества.

Атом полупроводника, лишившийся электрона, приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Однако место атома, не занятое электроном, может быть занято электроном соседнего атома. При этом первый атом становится нейтральным, а соседний - положительно заряженным. Освободившееся в связи с образованием свободного электрона место в атоме равноценно положительно заряженной частице, называемой дыркой.

Энергия, которой обладает электрон в связанном с атомом состоянии, лежит в пределах заполненной (валентной) зоны. Энергия свободного электрона относительно велика и лежит в более высокой энергетической зоне - зоне проводимости. Между ними лежит запрещенная зона, т.е. зона таких значений энергий, которые электроны данного полупроводникового материала не могут иметь ни в связанном, ни в свободном состоянии. Ширина запрещенной зоны для большинства полупроводников лежит в пределах 0,1 - 1,5 эВ. При больших значениях запрещенной зоны, чем 2,0 эВ, мы имеем дело с диэлектриками.

Если энергия фотона равна или превышает ширину запрещенной зоны, то происходят отрыв одного из электронов от своего атома и переброска его из валентной зоны в зону проводимости.

Увеличение концентрации электронов и дырок приводит к возрастанию проводимости полупроводника. Возникающая под действием внешних факторов проводимость тока в чистом монокристаллическом полупроводнике называется собственной проводимостью. С исчезновением внешних воздействий свободные электронно-дырочные пары рекомбинируют друг с другом и собственная проводимость полупроводника стремится к нулю. Идеально чистых полупроводников, которые обладали бы одной лишь собственной проводимостью, не существует. Обычно полупроводник обладает электронной (n-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью.

Тип проводимости определяется валентностью атомов полупроводника и валентностью атомов активной примеси, внедренной в его кристаллическую решетку. Например, для кремния (IV группа Периодической системы Менделеева) активными примесями являются бор, алюминий, галлий, индий, таллий (III группа) или фосфор, мышьяк, сурьма, висмут (V группа). Кристаллическая решетка кремния имеет такую форму, при которой каждый атом кремния, находящийся в узле решетки, связан с четырьмя другими ближайшими атомами кремния так называемыми ковалентными или парноэлектронными связями.

Элементы V группы (доноры), внедренные в узлы кристаллической решетки кремния, имеют ковалентные «связи четырех своих электронов с четырьмя электронами соседних атомов кремния, а пятый электрон может быть легко освобожден. Элементы III группы (акцепторы), внедренные в узлы кристаллической решетки кремния, для образования четырех ковалентных связей притягивают электрон от одного из соседних атомов кремния, образуя тем самым дырку. Этот атом в свою очередь может притянуть электрон от одного из соседних ему атомов кремния и т.д.

ФЭП - это полупроводниковый фотоэлемент с запорным (вентильным) слоем, работа которого основана на только что рассмотренном фотоэффекте. Итак, механизм работы ФЭП заключается в следующем (рисунок 2.2).

Кристалл ФЭП состоит из p- и n-областей, имеющих соответственно дырочную и электронную проводимости. Между этими областями образуется p-n-переход (запорный слой). Его толщина 10-4 - 10-6 см.

Так как по одну сторону от p-n-перехода больше электронов, а по другую дырок, то каждый из этих свободных носителей тока будет иметь тенденцию диффундировать в ту часть ФЭП, где их недостаточно. В результате на p-n-переходе в темноте устанавливается динамическое равновесие зарядов и образуется два слоя объемных зарядов, причем со стороны p-области образуются отрицательный, а со стороны n-области положительный заряды.

Установившийся потенциальный барьер (или контактная разность потенциалов) будет препятствовать дальнейшей самодиффузии электронов и дырок через p-n-переход. Контактная разность потенциалов Uк направлена от n-области к p-области. Переход электронов из n-области в p-область требует затраты работы Uк · e, переходящей в потенциальную энергию электронов.

По этой причине все энергетические уровни в p-области подняты относительно энергетических уровней n-области на величину потенциального барьера Uк · е. На рисунке движение вверх по оси ординат соответствует росту энергии электронов и уменьшению энергии дырок.

Рис. 2.2 - Принцип действия ФЭП (точками обозначены электроны, кружочками - дырки)

Таким образом, потенциальный барьер является препятствием для основных носителей (в прямом направлении), а для неосновных носителей (в обратном направлении) никакого сопротивления не представляет.

Под действием солнечного света (фотонов определенной энергии) атомы полупроводника возбудятся, и в кристалле как в p-, так и n-областях возникнут дополнительные (избыточные) пары электрон-дырка (рисунок 2.2, б). Наличие же потенциального барьера в p-n-переходе обусловливает разделение дополнительных неосновных носителей (зарядов) так, что в n-области будут накапливаться избыточные электроны, а в p-области - избыточные дырки, не успевшие рекомбинировать до их подхода к p-n-переходу. При этом будет происходить частичная компенсация объемного заряда у p - n-перехода и возрастать создаваемое ими электрическое поле, направленное против контактной разности потенциалов, что вместе взятое ведет к снижению потенциального барьера.

В результате между электродами установится разность потенциалов U_ф, которая по существу представляет собой фото-ЭДС. Если в цепь ФЭП включить внешнюю электрическую нагрузку, то в ней потечет электрический ток - поток электронов от n-области к p-области, где они рекомбинируют с дырками. Вольт-амперная и вольт-мощностная характеристики ФЭП представлены на рисунке 2.3, из которого очевидно, что для снятия с ФЭП максимальной электрической мощности необходимо обеспечить его работу в достаточно узком диапазоне выходных напряжений (0,35 - 0,45 В).

Масса 1 м²СБ 6…10 кг, из них 40% приходится на массу ФЭП. Из фотоэлементов, размеры которых в среднем составляют не более 20 мм, путем последовательного их соединения набирают генераторы напряжения до требуемого значения напряжения, например на номинал 27 В.

Рис. 2.3 - Зависимость напряжения и удельной мощности от плотности тока ФЭП

Генераторы напряжения, имеющие габаритные размеры приблизительно 100 х 150 мм, крепятся на панелях СБ и соединяются последовательно для получения необходимой мощности на выходе СЭП. [5]

Кроме кремниевых ФЭП, которые до настоящего времени используются в большинстве солнечных КЭУ, наибольший интерес представляют ФЭП на основе арсенида галлия и сульфида кадмия. Они обладают более высокой рабочей температурой, чем кремниевые ФЭП (причем ФЭП па основе арсенида галлия имеют более высокий теоретический и практически достигнутый КПД). Необходимо отметить, что по мере увеличения ширины запрещенной зоны полупроводника увеличивается напряжение холостого хода и теоретический КПД ФЭП на его основе. Однако при ширине запрещенной зоны более 1,5 эВ КПД ФЭП начинает уменьшаться, так как все большая часть фотонов не может образовать пару электрон-дырка. Таким образом, имеется оптимальная ширина запрещенной зоны (1,4 - 1,5 эВ), при которой КПД ФЭП достигает максимально возможной величины.

3. Электрохимические космические энергоустановки

Электрохимический источник тока (ЭХИТ) является основой любой электрохимической КЭУ. Он включает в себя электроды, являющиеся, как правило, активными веществами, электролит, сепаратор и внешнюю конструкцию (сосуд). В качестве электролита для ЭХИТ, применяемых на КА, обычно используется водный раствор щелочи КОН.

Рассмотрим упрощенную схему и конструкцию серебряно-цинкового ЭХИТ (рисунок 3.1). Положительный электрод представляет собой проволочную сетку-токоотвод, па которую напрессовано порошкообразное металлическое серебро, спеченное затем в печи при температуре примерно 400°С, что придает электроду необходимую прочность и пористость. Отрицательный электрод - это напрессованная также на сетку-токоотвод масса, состоящая из окиси цинка (70 - 75%) и цинковой пыли (25 - 30%).

На отрицательном электроде (Zn) происходит реакция окислителя активного вещества до гидроокиси цинка Zn(OH)₂, а на положительном (AgO) - реакция восстановления активного вещества до чистого серебра. Во внешнюю цепь идет отдача электроэнергии в виде потока электронов. В электролите же электрическая цепь замыкается потоком ионов ОНˉ от положительного электрода к отрицательному. Сепаратор необходим прежде всего для предотвращения соприкосновения (и отсюда короткого замыкания) электродов. Кроме того, он уменьшает саморазряд ЭХИТ и обязателен для обеспечения его обратимой работы на протяжении многих циклов заряд-разряд.

Рис. 3.1 Принцип действия серебряно-цинкового ЭХИТ:

         - положительный электрод (AgO), 2 - электрическая нагрузка,

- отрицательный электрод (Zn), 4 - сосуд, 5 - сепаратор

Последнее связано с тем, что при недостаточной сепарации коллоидные растворы окислов серебра, достигающие отрицательного электрода, катодно восстанавливаются в виде тончайших серебряных нитей, направленных к положительному электроду, а ионы цинка также восстанавливаются в виде нитей, растущих в направлении к аноду. Все это может привести к короткому замыканию электродов на первых же циклах работы.

Наиболее подходящим сепаратором (разделителем) для серебряно-цинковых ЭХИТ является пленка из гидратцеллюлозы (целлофан), которая, набухая в электролите, уплотняет сборку, что препятствует оплыванию цинковых электродов, а также прорастанию игольчатых кристаллов серебра и цинка (дендритов). Сосуд серебряно-цинкового ЭХИТ изготавливается, как правило, из пластмассы (полиамидная смола или полистирол) и имеет прямоугольную форму. Для других типов ЭХИТ сосуды могут быть изготовлены, например, из никелированною железа. При заряде ЭХИТ происходил восстановление цинка и окиси серебра на электродах.

Итак, разряд ЭХИТ - это процесс отдачи электроэнергии во внешнюю цепь, а заряд ЭХИТ - процесс сообщения ему электроэнергии извне с целью восстановления первоначальных веществ из продуктов реакции. По характеру работы ЭХИТ делятся на гальванические элементы (первичные источники тока), которые допускают лишь однократное использование активных веществ, и электрические аккумуляторы (вторичные источники тока), которые допускают многократное использование активных веществ в связи с возможностью их восстановления путем заряда от постороннего источника электроэнергии.