автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.10, диссертация на тему:Исследования нового класса солнечных батарей космического применения, использующих концентраторы солнечного излучения

/\А

иГ & \

I

о

ОД

2 - МАР

На правах рукописи

ТОКАРЕВ Юрии Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЯ НОВОГО КЛАССА СОЛНЕЧНЫХ

БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ, [СПОЛЬЗУЮЩИХ КОНЦЕНТРАТОРЫ СОЛНЕЧНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ.

Специальность 05.07.10. - электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Москва - 1999

1 йии|и ишшишъии и ИИРЧ\1/и^1Ч111 щ 1 и^инищ ■ |;Л11|1'1Ы-Пи>

Университете нм.Н.Э.Каумана

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

А.М. Костылев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Л.А.Квасников

кандидат технических наук, доцент А.Н.Арбеков

Ведущая организация: РКК «Энергия»

Защита диссертации состоится «^7» м/это 1999 г. в «_» часс

на заседании совета Д 053.15.10. при МГТУ им. Н.Э.Баумана по адрес; 107005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д.5.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГТУ им.Баумана.

Автореферат разослан «_»_1999 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ }' БИБЛИОТЕКА Актуальность работы q 5" q ¿1 _ <о

В настоящее время в космической технике возникают принципиально новые за-чи, связанные с увеличением времени активной эксплуатации космических аппа-тов (КА), с энергообеспечением КА при межпланетных перелетах и полетах КА по битам, лежащим в пределах радиационных поясов Земли или пересекающие их. о потребовало новых исследований и разработок в области солнечных батарей Б), обеспечивающих надежность, долговечность и радиационную стойкость фото-еобразователей (ФП).

Концепция применения концентраторных систем для СБ КА предлагает наряду с [еныиением стоимости космических СБ, благодаря снижению потребной площади П, пропорционально степени концентрации солнечного излучения, также защиту П от радиации непосредственно элементами конструкции концентрирующей сис-мы. При использовании концентраторов снижается стоимость космических про-амм в целом (уменьшается потребное количество запусков ракет-носителей, кото-ie доставляют на орбиту СБ для замены СБ в составе КА). Цель работы

Цель настоящей работы - исследования, направленные на нахождение путей уве-чения надежности и ресурса солнечных энергетических установок на базе СБ с )топреобразованием солнечного излучения. Для достижения поставленной цели шались следующие задачи:

в 1987 г. в НИИТП (отделение 6) (с 1991 г. НПО «Гранат»)) была предложена оригинальная конструкция СБ с концентраторами солнечного излучения; исследовалась принципиальная возможность применимости данной схемы для использования ее в СБ КА;

разработана обобщенная математическая модель, описывающая фотоэлектрическую ячейку (ФЭЯ), и позволяющая оптимизировать параметры ФЭЯ в зависимости от выбранного материала фотопреобразователей (ФП), параметров орбиты (радиационная обстановка на орбите, режимы термоциклирования) и разработано необходимое программное обеспечение;

создана программа наземной экспериментальной отработки элементов конструкции таких СБ и СБ в целом;

исследовались возможности применения ФП различных типов в данных СБ (основное внимание уделялось ФП на основе арсенида галлия и кремния); в 1994 году были проведены летные испытания двух экспериментальных панелей в составе искусственного спутника Земли «АУОС-СМ-КИ» (Автоматическая Орбитальная Станция - Солнечный Модуль), разработки КБ «Южное» (г.Днепропетровск), запущенного в рамках международной программы «Коронас-И»;

еле проведения первого запуска перед НПО «Гранат» заказчиком была сформули-вана задача на подготовку второго летно-космического эксперимента.

Научная новизна работы Научная новизна данной работы заключается в теоретической и эксперименталь-й отработке концентраторных СБ данной конструкции, что подразумевает: Проведены необходимые наземные эксперименты по определению облика и выходных характеристик концентраторных СБ данной конструкции. Показано, что в СБ данной конструкции могут применяться как ФП на основе

1

ш^пида I аллии, так и широко использующиеся и оолее доступные Ф11 на оснс кремния.

3. Создан математический аппарат, позволяющий получать необходимые парам» ры СБ и оптимизировать конструкцию этих СБ для применения их в качестве i точника энергопитания КА на различных орбитах.

4. Показана возможность применения СБ данной конструкции в качестве источш энергии для КА.

5. Показано преимущество применения СБ данной конструкции по сравнении: обычными ПСБ и известными видами концентраторных СБ.

Практическая значимость работы Практическая значимость данной работы заключается в создании теоретическ и экспериментальных предпосылок для внедрения концентраторных СБ данной к( струкции практическое использование, а в перспективе - полной замены ныне i пользующ сся ПСБ на концентраторные СБ данной конструкции. Это позволит yi личить рес рс солнечных энергетических установок космических аппаратов и ci зить стоим лъ СБ, а также позволит снизить стоимость космических програмр, целом, из-- отсутствия необходимости частой замены СБ, что »подразумев; уменьшение необходимого для программы количества пусков ракет-носителей Земли для Д1 ставки СБ для замены их в составе КА.

Лнч ый вклад автора

1. Основывг сь на результатах первых летных испытаний, автор принял участш модерниз! щи концентраторных СБ для первых летных испытаний.

2. Разработа а обобщенная математическая модель СБ, которая позволяет onpej лягь ее ос ювные параметры. Данная математическая модель позволяет оптик зировать : фаметры ФЭЯ в составе СБ в зависимости от выбранного матери; ФП, пара» ;тров орбиты (радиационная обстановка на орбите, режимы термощ лированю . Разработано необходимое программное обеспечение.

3. Определи >i методики экспериментальных исследований концентраторных ( данной кс струкции (исследованы возможности применения ФП на основе кре ния в СБ анной конструкции и исследованы их параметры, исследованы хар; теристик! используемых концентраторов, исследованы характеристики ФЭЛ ФП на О' юве кремния, исследованы характеристики СБ для вторых летных i пытаний Предложены конструктивные решения по некоторым установкам ст< довой б ы для реализации этих методик (модернизирована конструкция эка римент! ьной установки для возможности исследования зависимостей парам» ров ФП га основе кремния и ФЭЯ от воздействия температурного фактора).

4. На йен вании результатов математической модели и экспериментальных исс. доваш I предложены конструктивные решения по доработке ФЭЯ:

• испол1 ювать ФП площадью, превышающей размеры фокального пятна конщ тратора;

• на нижней поверхности радиатора образовать теплоизлучающие ребра путем i сложных технологических операций.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель ФЭЯ в составе СБ.

2. Возможности применения в СБ данной конструкции ФП на основе кремния.

3. Методики экспериментальных исследований концентраторных СБ данной кон рукции и результаты экспериментов, (параметры ФП на основе кремния, хар

герметики используемых концентраторов, характеристики Ф'ЗЯ с ФП на основе кремния, характеристики СБ для вторых летных испытаний в целом). Предложения по модернизации конструкции СБ с концентраторами, а именно: использование ФП площадью большей площади фокального концентратора и организация теплоизлучающих ребер на нижней поверхности концентратора.

Апробация работы и публикации Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXII "шых чтениях, посвященных разработке творческого наследия К.Э.Циолковского луга, 16-19 сентября 1997 г.) и на 14 международной научно-технической конфе-ции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 23-26 июня 1996 г.). ювной материал и результаты диссертационной работы изложены в 2 печатных отах и научно-техническом отчете НПО «Гранат».

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 137 страниц шнописного текста, включающих 50 рисунков, 6 таблиц, а также список литера-ы из 74 библиографических названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, на-ая новизна и практическая значимость полученных результатов, личный вклад эра, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор работ по исследованиям, связанным с приме-ием концентраторов солнечного излучения для СБ КА и приводятся основные ожения, относящиеся к этой области.

Описываются факторы космического пространства, приводящие к деградации СБ >смосе. Особо отмечается, что значительная деградация ФП происходит под воз-ствием температурного фактора и радиационного воздействия космических из-ений и кратко обрисовываются процессы, происходящие во внутренней структу-[>П при воздействии этих факторов.

Приводятся примеры ряда космических СБ с концентраторами солнечного излу-ия и показывается, что в некоторых из них обеспечивается практически полная шировка ФП от радиационного воздействия космического пространства гоков протонов и электронов), чем достигается существенное увеличение (до 10 I срока активного существования СБ.

Представляется сравнительный анализ различных концентрирующих систем. По-лвается, что применение зеркальных концентраторов для решения задач, поставных выше, является предпочтительным, и наиболее перспективными оптически-:хемами являются параболлоцилиндры с доконцентрирующими фоконами. И наконец, представлена конструкция солнечных батарей с концентраторами заботки НПО «Гранат», которая позволяет получить улучшенные параметры по знению с известными схемами (удельная масса около 54 Вт/кг, удельная мощ-гь до 170 Вт/м2, практически полная экранировка ФП от космической радиации), щепция этой конструкции предполагает коммутацию так называемых фотоэлек-ческих ячеек (ФЭЯ), каждая из которых является унифицированным источником 1. Примененная в конструкции схема ФЭЯ представляет собой однозеркальную эсевую рефлекторную оптическую систему с зеркальным концентратором двой-

3

пин кривизны, о состав ч'входят:

• фотопреобразователь;

• солнечный концентратор;

• радиатор;

• фокон;

• элементы электросхемы коммутации панели.

Во второй главе представляются результаты исследований концентраторных С при подготовке и проведении первых летных испытаний СБ на КА «АУОС-СМ-КИ (Автоматическая орбитальная станция - солнечный модуль) разработки КБ «Южное (Украина). Определяется, что программа исследований концентраторных СБ дашк го типа предусматривает проведение трех летных испытаний. Для первых летны испытаний были использованы ФП на основе арсенида галлия, оптимизированнь для работы при концентрированном световом потоке.

Представлены результаты следующих экспериментальных исследований:

1. Исследования теплового режима панели. Получены температуры элементов ко] струкции панели в условиях циклов «свет-тень», соответствующих первым левым испытаниям (60 мин «свет», 36 мин «тень»). Показано, что максимальнг температура радиатора доходит до +120°С, минимальная составляет -60°С. Тел пература каркаса изменялась в диапазоне -55°С...+60°С.

2. Утяжеленные термоциклические испытания проводились с целью определеш . устойчивости элементов конструкции СБ к воздействию термоциклических н;

грузок. Использованная установка позволяет получать рабочий диапазон темп* ратур объектов испытаний от -200°С до +120°С при времени цикла ~60 секун, Была произведена наработка более 300 термоциклов. Сделан вывод о работает собности данной конструкции в условиях воздействия штатных термоциклиж ских нагрузок в течении около 6000 термоциклов, что соответствует условия первых летных испытаний.

3. Исследования работоспособности солнечных батарей в условиях воздейств* потоков протонов и электронов проводились в НИИЯФ МГУ. Результаты исош дований представлены в виде вольтамперных характеристик ФП, полученных до потоков протонов с энергией 7,8 МэВ и 6,3 МэВ и с флюенсами разной велит иы. Снижение мощности ФП на 15...20% наблюдается при флюенсе (3...4)*10 1/см2, что соответствует сроку эксплуатации на орбите Н=500 км - 50 лет, на о] бите Н=2000 км - 8 лет, на орбите Н=20000 км - 25 лет, и на высокой эллиптич! ской орбите - 35 лет. Выяснено, что при обеспечении локальной защиты ФП срс функционирования может быть существенно повышен. Экспериментальные и< следования воздействий факторов космического пространства на металлически зеркала показали, что при нанесении защитного покрытия БЮ2 с 6=0.1 мкм I алюминиевый отражающий слой достигается достаточно высокая стабильное! оптических характеристик (деградация оптических КПД не превышает 1-3% год при имитации комплексного воздействия ФКП, соответствующих орбитам Н=4-6 тыс.км), поэтому какая-либо дополнительная защита концентраторам I требуется.

4. Исследования работоспособности СБ и ФЭЯ в условиях механических воздейс вий, возникающих при транспортировке панели и на активном участке полет были проведены на вибростенде, моделирующем эти воздействия. Показано, ч~ резонансные частоты СБ в наиболее опасном диапазоне 0...40 Гц - отсутствуют

вольтамперные характеристики ФЭЯ не изменяются после воздействия нагрузок. Сделан вывод, что данная конструкция будет сохранять работоспособность в условиях механических воздействий.

Исследования работоспособности в условиях акустических воздействий были проведены на ФЭЯ и модулях из девяти ФЭЯ. Испытания проводились на собственных частотах колебаний элементов конструкции ФЭЯ и модуля. Вольтамперные характеристики объектов испытаний до и после воздействия акустических нагрузок совпали. Механических повреждений обнаружено не было. Сделан вывод о работоспособности СБ в условиях штатных акустических воздействий. Представлены результаты первых летных испытаний. Сделаны следующие выво-л по результатам первого летного эксперимента: Проведенные натурные испытания подтвердили возможность оснащения КА концентраторными СБ.

Результаты, полученные по каналам телеметрии, свидетельствуют о работоспособности СБ.

Полученные энергетические характеристики СБ свидетельствуют о работе СБ за пределами допустимого угла разориентации, а также, возможно разрушении части ФП на первых витках КА под действием термоциклов. Однако конкретными данными подтвердить это предположение не удалось, т.к. первый сеанс связи был проведен только на 310 витке. ,

При проведении натурных экспериментов целесообразно проводить первые сеансы связи не позднее 10 витка и дублировать показания одного или нескольких электрических параметров через служебные системы КА. Общее количество экспериментальной информации для квалифицированного заключения о поведении панелей не должно быть менее 100 сеансов за срок активного существования КА. В третьей главе формулируется научно-техническая задача при подготовке ко горым летным испытаниям. Вторые летные испытания готовятся к проведению на А «АУОС-СМ-КФ» разработки КБ «Южное» (Украина). Перед автором данной 1боты была поставлена задача провести теоретические и экспериментальные иссле-звания на этапе подготовки СБ ко вторым летным испытаниям. Сформулированы ¡которые проблемы связанные с исследованиями по подготовке второго летного ссперимента.

Повышение информативности вторых летных испытаний. Возможность использования ФП на основе кремния.

В СБ готовящегося летного эксперимента необходимо использовать ФП площадью превышающей площадь фокального пятна концентратора, с целью увеличения допустимого угла разориентации СБ.

Для повышения эффективности теплоотвода от ФП на нижней поверхности радиатора необходимо образовать теплоизлучающие ребра.

Для подготовки вторых летных испытаний необходимо усовершенствовать математический аппарат исследования параметров СБ данной конструкции. Четвертая глава работы посвящена теоретическому исследованию концентраторах СБ.

Поставленная в работе задача решается путем создания математической модели, угорая обобщает частные случаи теоретического и математического исследования гдельных параметров ФЭЯ и описывает ФЭЯ в составе СБ. Математическая модель эзволяет оптимизировать геометрические и электрические параметры ФЭЯ для

5

^иди-1 1ШД1V/1\-IDI\H 01иршл лыпи-1ШС1У1Н1(;и1\ИЛ НЫ1ЫШШШ И ДЛИ ЛЮБОГО КО

мического использования этих СБ. Для обеспечения подготовки ко вторым летны испытаниям предложены следующие конструктивные решения по доработке ФЭЯ:

1. Использовать ФП с площадью превышающую размеры фокального пятна ко! центратора, с целью увеличения допустимого угла разориентации СБ.

2. На нижней поверхности радиатора образовать теплоизлучающие ребра для го вышения эффективности теплоотвода от ФП.

В приводящемся решении математической задачи показывается обоснован предложенных выше конструктивных изменений.

Исходными данными для математической модели являются параметры предпол; гаемой орбиты на которой будет работать СБ в составе КА и необходимые энерп массовые характеристики СБ.

Входные параметры и условия для решения задачи следующие:

• параметры, относящиеся к свойствам материалов элементов конструкции ФЭ (удельные теплоемкости (с), коэффициенты теплопроводности (к), плотности м, териалов (р)); выбранные материалы являются характерными для изделий ко1 мической техники, исследования по выбору материалов для элементов коне рукции, также, проводились в рамках работы над данным проектом (матерш радиатора - алюминий, материал концентратора - никель, материал каркаса - у: лепластик);

• параметры орбиты, на которой будет работать СБ (величины потоков электроне и протонов, энергии заряженных частиц и временной график работы «свет) «тень»),

• общая масса элементов конструкции должна быть меньше, чем 5 кг/м2; это усл< вие необходимо для обеспечения конкурентоспособности концентраторных СБ обычными планарными СБ;

• геометрические параметры элементов конструкции должны обеспечивать мака мальное использование апертуры зеркала (в частности, фокон не должен пер| крывать апертуру зеркала), кроме того, элементы конструкции должны полн< стью закрывать ФП и иметь необходимые толщины для защиты ФП от воздейс вия факторов космического пространства;

• учет возможностей системы ориентации КА (принимается ±7°);

• максимальные температуры, при которых обеспечивается гарантированная ст; бильная работа ФП различных типов (для ФП на основе арсенида галлия +120°С, для ФП на основе кремния - +70°С).

В процессе решения устанавливаются зависимости между параметрами орбиты рядом параметров ФЭЯ, таких как:

• размеры необходимой защиты ФП от воздействия факторов космического пр( странства, в частности от потоков протонов и электронов;

• геометрическими параметрами и конструктивными решениями для ФЭЯ;

• выходными параметрами СБ;

• выходными характеристиками ФП, на основании чего даются рекомендации г возможности применения ФП различных видов (т] - КПД ФП);

• температурами основных элементов конструкции ФЭЯ и СБ, что подразумева( обеспечение необходимого теплового режима для эффективной работы ФП в & ставе ФЭЯ в условиях термоциклирования.

Показано, что выходное напряжения ФП не зависит от размеров светового шгп

. ч'п, а выходной ток прямо пропорционален площади засвегки. Эта зависимость ¡пользуется в математической модели. В математической модели установлены следующие зависимости: = £ (Т|, , £;), где - величины эффективных потоков тепла между элементами тструкции; Т| - температуры элементов конструкции; ср1 - угловые коэффициенты между элементами конструкции; Е| - степени черноты элементов конструкции.

с!Т;/сН:=Г(Т;, т;> X;, с:, Е;) - функция изменения температур элементов кон-рукции от времени, при решении которой можно найти максимальную температу-■ элементов конструкции, которая достигается в процессе работы. = £ (геометрии ФЭЯ); ^ = £ (геометрии ФЭЯ) - характерные размеры, использующиеся в уравнениях те-юпроводности;

= £ (геометрии ФЭЯ (толщины элементов конструкции)) - массы элементов |нструкции;

5! (Толщины) = £ (величин потоков заряженных частиц).

В уравнениях приняты обозначения: «р» - параметры, относящиеся к различным стям и поверхностям радиатора, «к» - концентратора, «Е» - элементам каркаса. В расчете используются следующие постоянные: а = 5,67-10"8 Вт/м-К - постоянная Стефана-Больцмана; Б = 1360 Вт/м2 - солнечная постоянная.

Далее приводятся системы уравнений, устанавливающие зависимости, указанные 1ше.

Система, показывающая потоки тепла между р1, р2, к1 и к2: Чк1=Ек'ст'' К1 +(1-Ек)(8-С05Йк,+фР1.кгЧР1+фР2.К1-Чр2); Як2_ек о-Ти +(1-ек)(8-со8£2К2+фр1.К2-Яр1+фр2-к2,Яр2); ЯР1=ер-о-ТР14+(1-ер)( ФК1-р1-ЧКИ+Фк2-РГЧк22+ФР2-РГЯР2); Цр2=£р-0-Тр24+(1 -Ер)( фк1-р2*4к1 1+Фк2-Р2-Як22+Фр1-Р2'Чр1);

Чк11=ЕК'0-ТК14+(1-Ек)( ФР1-К1'ЯР1+ФР2-КГЧР2);

як22=ек-0'тк24+(1-ек)( фр1-к2'яр1+фр2-к2'яр2); Система, показывающая потоки тепла между рч1 и кч2: я к2=£"к'о тк24+( 1-е'к) фрг-к2-'ярь Яр1=Ер'а'Тр14+(1-Ер)"фк2-Р1-'Як2;

Система, показывающая потоки тепла между рч2 и каркасом (е):

ЯчР2=ЕР-ст-Тр24+(1-Ер)-фЕ.Р2--яЕ;

Яе=ее-о-Те4+( 1 -еЕ)-фр2-.Е-я' рз".

Система, показывающая потоки тепла между рЗ, к'1, КБ и е~: Ярз=Ер-а-Тр34+(1-Ер)( Фкг-рз'Я к1+2'Фкв-рз'Якв+Фе--рз'Я е)! я к1=е к'а'тк14+(1_е к)( Фрз-кг'ярз+2'фкв-кг'якв+фе -кг'я е); Якв=е\-0-Ткв4+(1-е'к)( ф рз.квЯрз+Фк1--квячк1+Фе-квяче); Я'е=еЕ-а-ТЕ4+(1-еЕ)( ф рз-е'Ярз+Фкг-е'Я"к1+Фкв-е-'Якв)> Массы элементов конструкции:

м^&к'РЛ,; м^б^-р^Р^; мр,=5р-рр-Рр1; мр2=5р-рр-рр2; мРз=^р-РрРрз; м^б.-р/Р^; ме=6е-ре-Ре; где

Fj - площади элементов конструкции, Q -угол между нормалью к плоскости зер кала и направлением на Солнце.

Эмпирические соотношения, связывающие пробеги электронов и протонов в веществе с энергиями частиц, которые используются для нахождения необходимое плотности защиты ФП:

1. Для электронов:

AMi=0,52-E-0,09 [г/см2] - уравнение для электронов с энергиями превышающим! ЗМэВ.

АМ2=412-Е° [г/см2], где п=1,265-0,0954-1п(Е) - уравнение для электронов с энер гиями от 0,01 МэВ до 3 МэВ.

Пробеги в [см] определяются формулами:

Rci=aMI/PP;

Re2=AM2/pP, где рР - плотность материала радиатора.

2. Для протонов: _

RP=2,6-10-4-RBOM-( Vz /рР); [см], где Re03J - пробег протонов в воздухе RBO3a=0,3-E3/2, где Е в [МэВ]

z - атомный номер вещества (для алюминия = 13)

pl3cl := (1/Fpl) * Г Г (Cos [apl] *Соз[аЗс1]) / (Р1*хр1к1Л2) dETtldFpl; JrplJrkJ.

p2kl := (1/Fp2) * J J (Ссз [ap2j i Cos [sltl] ) / (Pi * rp21ilА 2) dEbldFp2;

p2k2 : = (1 / Fp2) * Г Г (Cos[ap21 *Cos[cdc2]) / (Pi*rp2k2A2) dFk2dFp2; Jlp2 Jrk2

pl3c2 := (1 / Fpl) * Г Г (Cos [¿zpl] *Cos[aJc2]) / (Pi*rpl)c2A2) Д5Тс2Л7р1; JrplJniZ

p2pl : =' (1 / Fp2) * Г Г (Cos[ctp21 «Cos[apll) / (Pi«xp2plA2) dFpldFp2; JrpjJrpi

gVk.2 := (1 /Tpl) » Г Г (Cosla'pi] *Со?1сГк2]) / (Pi * r4pl4k2Л2) ЗПс2 i * JrplJrkl

а'р2 := (1 / Fe) * Г Г (Cos [ae] * Cos [a'p2]) / (Pi* га' p2 A2) dFp2 dEa; JreJrp2

•Jclp3 := (1/Fkl) * Г Г (Cos[a'k.l] *Cos[ap3]) / (Pi*r'klp3A2) dFp3 dF Jna-Jrp3

кЬрЗ (1/Fkb) •» Г Г (Cos [cdcb] Cos [<xp3] ) / (Pit гкЪрЗ A2> dFp3 dFkb;

Jrlcb Jrp3

'ерЗ := (1 / Fe) * Г Г (Cos [a ' e] * Cos [ap3] ) / (Pi * г' ерЗ A2) dFp3 dFe ; JrrJfv3

Система дифференциальных уравнений.

11а и^ниьашш решении ми 1ема1 пчеекип модели сделаны следующие выводы.

1. Применяя ФП площадью на 100% большей, чем размер фокального пятна ко! центратора, мы можем получить увеличение допустимого угла разориентацин С в два раза. В частности, если бы в СБ для первых летных испытаний были б применены ФП размером 7x7мм в плане, то получилось бы увеличение допуст! мого угла разориентацин с 3,5 град до 7 град. Из рис.1, видно, что в СБ для вте рого летного эксперимента при использовании ФП на основе кремния мы долм ны получить желаемое увеличение допустимого угла разориентацин в штатны условиях полета.

2. Применение ФП на основе кремния ставит задачу оптимизации теплосброса него, т.к. ФП на основе кремния более чувствителен к повышенным темпераг рам. Из рис 2. видно, что организация теплоизлучающих ребер решает эту задач; Максимальная температура ФП в процессе работы снижается и для СБ с ФП I основе кремния (для вторых летных испытаний) при организации двух ребер м могли бы получить оптимальные температуры работы ФП. В конструкции ФЭ для готовящегося летного эксперимента теплоизлучающие ребра не организовь ваются и ФП будет работать в режиме максимально допустимых дЛя него темп ратур, но для решения задач ставящихся во вторых летных испытаниях мож! использовать конструкцию ФЭЯ без ребер.

3. Решение системы уравнений в общем виде позволит получать значения для 01 тимальных тепловых режимов работы ФП, выполненных на основе различив материалов, а также получать значения геометрических параметров ФЭ (зависящих, в частности, от толщины необходимой защиты ФП элементами ко1 струкции) в зависимости от условий любого космического использования эт! батарей.

4. Данная математическая модель обеспечивает только косвенный учет влияш фактора термоциклирования на выходные параметры ФП. Это объясняется те! что не существует четкого математического описания процессов, происходя ни во внутренней структуре ФП при термоциклических нагрузках, хотя и накопле большой экспериментальный и эмпирический материал. В дальнейшем такие и следования необходимо провести для расширения диапазона исследуемых мат матической моделью параметров.

У.тВт

размеров (1 - 5x5 мм, 2 - 7x7 мм)

к

ю.2 Изменение температур элементов конструкции («1» - температуры без образо-ания теплоизлучающих ребер, «2» - температуры с образованием одного теплоиз-/чающего ребра, «3» - два ребра, для «2» и «3» показаны только температуры ФП, как наиболее чувствительного элемента конструкции ФЭЯ)

11ятая глава посвящена наземным экспериментальным исследованиям при под товке к летным испытаниям. Проведены следующие исследования.

1. Исследования ФП из кремния, с целью доказательства возможности их исполь вания в СБ.

2. Исследования характеристик концентраторов.

3. Исследования зависимости мощности ФЭЯ от размеров и профиля фоконов.

4. Исследования по определению характеристик ФЭЯ с ФП на основе кремния.

5. Исследования по определению характеристик СБ в целом. Проведены следующие исследования ФП:

1. Исследования по определению основных параметров ФП.

2. Исследования по определению зависимости выходных параметров ФП от раз! ров освещенной области ФП

3. Исследования по определению зависимости характеристик ФП от качества па! нижнего токосъемного провода.

4. Исследования зависимостей основных параметров ФП от воздействия темпе] турного фактора.

5. Исследования зависимости влияния степени концентрации на параметры ФП. Все вышеперечисленные исследования проводились на имитаторах светового :

лучения и на натурном Солнце. Представляются конструкции и параметры экспе| ментальных установок, а также методики и результаты экспериментальных иccлeJ ваний.

Определены энергетические параметры ФП при степени концентрации С=1, кс натной температуре, и освещенности всей фотоактивной области (рис.3 (а)): ток ] роткого замыкания 13,6...15,0 мА, напряжение холостого хода 0,6...0,65 В, напря> ния в оптимальной точке ВАХ 0,47...0,51 В. КПД ФП составил 9... 10,5% при степе концентрации С=40 и температуре +70°С.

Показано, что значения напряжений при засветке площади соответствуюи площади фокального пятна концентратора не изменяется по сравнению со зна1 ниями напряжений, полученных при полной засветке фотоактивной области <1 Значения токов прямо пропорциональны площади засветки.

Показано, что значения тока короткого замыкания ФП прямо пропорциональ степени концентрации, а величины напряжения холостого хода и напряжения в < тимальной точке ВАХ слабо зависит от увеличения степени концентрации (при у личении степени концентрации от 1 до 40 величины напряжений менялись в пре, лах двух процентов) (рис.3 (а и б)).

Показано, что ток короткого замыкания слабо зависит от температуры (значет тока при предполагаемой максимальной температуре ФП (+90°С) при работе в к< мосе на 3% меньше значения тока при температуре +20°С). Температурный коэф(] циент для напряжения холостого хода и напряжения в усредненной для пяти < оптимальной точке, составил 0,0025 В/град.

Выяснено, что степень концентрации зеркальных концентраторов находите) диапазоне 41...48. Наиболее характерная степень концентрации 45.

Определены выходные энергетические параметры (1Ю, ихх. иопт) ФЭЯ при кс натной температуре (рис.4): 320...360 мА, 0,61.„0,65 В, 0,47...0,51 В, оптическ КПД 0,77...0,79.

Обосновано, что размеры фокона совпадают с размерами фокона в СБ для пер] го летного эксперимента, но конструктивно была убрана нижняя (ближайшая к к< 12

пратору) стенка фокона. Размеры концентратора не изменены по сравнению с вым летным экспериментом. На радиаторе образована нижняя поверхность, ко-ая улучшает теплосброс с ФП. Геометрические параметры ФП: квадрат 7x8 мм в не, фотоактивная область 7x7 мм в плане.

Произведен прогноз параметров СБ при работе в штатных условиях: Четыре одинаковые секции (по 30 ФЭЯ в каждой, образующих три параллельные цепочки по 10 ФЭЯ в каждой). Ток короткого замыкания (1кз) 960 мА, напряжение холостого хода (и^) 0,61 В, мощность составляет около 6,0 Вт. Секция с ФЭЯ ориентации (состоит из 21 ФЭЯ, из них 20 ФЭЯ скоммутированы в две параллельных цепочки по 10 ФЭЯ в каждой. К этим двум цепочкам последовательно присоединяется 1 ФЭЯ, который предполагается использовать в качестве дополнительного датчика ориентации СБ). Ток короткого замыкания (1Кз) 700 мА, напряжение холостого хода (ихх) 0,65 В, мощность составляет около 5 Вт.

Показано, что при переходе от единичного (экспериментального) производства на массовое необходима разработка технологических процессов, автоматизи-зщих этапы подготовки комплектующих и сборки изделия. Одна из главных задач [ этом - обеспечение надежности элементов СБ. Показано, что наиболее перспек-ным путем решения этой задачи является применение методов неразрушающего троля. Показано, что качество клеевых и паяных соединений удовлетворяет тре-аниям единичного экспериментального производства, где операции приклейки и [пайки осуществляется вручную и контроль качества производился визуально, гспечение надежности этих соединений осуществлялось при помощи решений, рименимых при массовом производстве (например, увеличенный расход клея в ничном производстве). Предложена методика неразрушающего контроля элемен-СБ и СБ в целом, предполагающая использование рентгеновского аппарата и дставлены результаты рентгеновского контроля модуля из девяти ФЭЯ. Сделан вывод, что применение методов неразрушающего контроля при массовом изводстве позволит повысить надежность, качество и стабильность работы СБ.

Рис.З.ВАХ ФП при различных концентрациях светового потока

1 - С=1,1Ю=14,2 мА, ихх=0,62 В, иОпт=0,46 В;

2 - С=35,1кз=500 мА, и^О.62 В, иОпт=0,46 В;

3 - С=40,1Кз=570 мА, ихх=0,62 В, иОпт=0,46 В;

4 - С=45,1кз=640 мА, ихх=0,62 В, иОпт=0,46 В.

Рис.4.ВАХ нескольких ФЭЯ, полученные на натурном Солнце ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданный новый класс солнечных батарей, использующих концентраторы солнечного излучения позволит значительно увеличить ресурс и надежность солнечных энергетических установок космических аппаратов и позволит сократить затраты по энергообеспечению космических аппаратов в каждой конкретной программе полетов.

Разработанная математическая модель объединяет разрозненные подходы к решению теоретического обеспечения заданных выходных параметров солнечных батарей. При помощи данной математической модели решены задачи, поставленные при подготовке предстоящих вторых летных испытаний на космическом аппарате «АУОС-СМ-КФ» (Автоматическая Орбитальная Станция - Солнечный

Модуль) производства КБ «Южное» (Украина). Определена возможность увели- -о 1О

чения допустимого угла разориентации панели от 3,5 до 7 и возможности улучшения теплосброса с фотопреобразователей в составе фотоэлектрических ячеек. Показана возможность применения фотопреобразователей на основе кремния для решения задач вторых летных испытаний.

Наземная экспериментальная отработка элементов конструкции солнечных батарей и батарей в целом, вместе с результатами, полученными на разработанной математической модели позволили спрогнозировать параметры солнечных батарей при их предстоящей работе в космосе, быстро и качественно оптимизировать конструкцию данной схемы солнечной батареи для каждого конкретного случая использования их в космосе, редставленные в данной работе результаты показывают, что подготовка и наземная работка солнечных батарей данной конструкции проведена в достаточной мере я проведения вторых летных испытаний на космическом аппарате «АУОС-СМ-1»> и решения задач, ставящихся в этих летных испытаниях.

СПИСОК ОСНОВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.С.Коротеев, А.М.Костылев, В.С.Тверскон. Перспективы применения СБ концентраторами на околоземных орбитах. // Тез. докл. Симпозиума Solar Pow System-91. - Париж, 1991. - С. 585-589.

2. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразо! ние концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука, 1989. - 310 с.

3. Грилихес.В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические г леты. - М.: Наука, 1984. - 211 с.

4. А.М.Костылев. Разработка СБ с концентраторами и перспективы их приме* ния. // Тез. докл. Гелиотехнической секции ВНТОЭ. - Л., 1990. - С. 15-18.

5. Куландин A.A., Тимашев C.B., Зайцев И.В. Энергетические системы космич ских аппаратов. - М.: Наука, 1994. - 282 с.

6. Grilikhes V. A., Rumyantsev V.D., Shvarts M.Z. Indoor and outdoor testing of spa concentrator AlGaAs/GaAs photovoltaic modules with Fresnel lenses // Proceedings 25-th IEEE Photovolt.Spec.Conf. - N.Y., 1996. - c. 345-348.

7. Экспериментальное обоснование конструкторских и технологических решен) концентраторных солнечных батарей для космического аппарата АУОС-СМ-Ю Отчет по теме «Исследования по созданию экспериментального модуля СЭУ фотопреобразователями и концентраторами» / НПО "Гранат". Руководитель т мы А.М.Костылев. Инв. № 93010. - М., 1993. - 108 с.

8. Анализ результатов натурных исследований концентраторных солнечных бат рей на космическом аппарате «АУОС-СМ-КИ». Отчет по теме «Исследования i созданию экспериментального модуля СЭУ с фотопреобразователями и конце траторами». / НПО «Гранат». Руководитель темы А.М.Костылев. Инв. № 95002 М., 1995.-,39 с.

9. Н.Н.Гаврилов, А.М.Костылев, Ю.Ю.Токарев. Солнечные батареи с конце траторами - способ увеличения ресурса энергетических систем космических а паратов // XXXII научные чтения, посвященные разработке творческого наслед К.Э.Циолковского.: Тез. докл. - М., 1997. - С. 146.

10. Н.Н.Гаврилов, А.М.Костылев, Ю.Ю.Токарев. Эффективность применен солнечных энергетических установок на базе новых технических принципов Экономика и технология. Межвузовский сборник научных трудов. - М., 1996. -. 11.-с. 82-85.

11. Н.Н.Гаврилов, А.М.Костылев, Ю.Ю.Токарев. Неразрушающий контроль со нечной энергоустановки на базе концентраторов солнечного излучения // Hepa рушающий контроль и диагностика. Тез. докл. 14-й Российской конф. - М., 199 - С. 53.

12. Н.Н.Гаврилов, Ю.Ю.Токарев. Неразрушающий контроль фотоэлектрическо модуля с концентраторами солнечного излучения. // Экономика и технолога Межвузовский сборник научных трудов. - М, 1999. - № 12. - С. 93-96.

13.К вопросу применения в солнечных батареях с концентраторами солнечного и лучения фотопреобразователей на основе кремния. Отчет по теме «Определен! проектных характеристик фотоэлектрических модулей для летного эксперимен на искусственном спутнике Земли «АУОС-СМ-КФ» (Украина). // НПО «Гранат Руководитель темы А.М.Костылев. Исполнители Федотов P.A., Токарев Ю.Ь Инв. № Гр./55-97. - М., 1997. - 11 с.