Сонячні батареї в космосі: чи ефективні вони там?

Презентація напівпровідникових панелей сучасного типу і перший запуск космічного супутника відбулися практично одночасно – з різницею всього кілька місяців 63 роки тому. Такий збіг може бути символічним – адже саме сонячні батареї, здатні вловлювати та перетворювати фотони світла в електрику, стали головним джерелом енергії більшості апаратів, які тривалий час працюють в космосі.

Чому вибір припав на сонячні батареї?

Освоєння навколоземного космічного простору, а в перспективі – планет, супутників, комет і астероїдів Сонячної системи вимагає створення пристроїв, здатних не просто висіти на орбіті під дією гравітації та відцентрового прискорення, а й повноцінно працювати за межами Землі. Для цього необхідний постійний приплив енергії, але заправних станцій реактивного палива за межами планети поки не існує, а термоядерні двигуни – справа не найближчого майбутнього. Пошук іншого, зовнішнього і стабільного джерела, дав єдину можливу відповідь – таким, при сучасному рівні розвитку технологій, може слугувати тільки Сонце.

Виникнення і застосування сонячної енергетики в космосі

Не тільки ідея, а й наукове обґрунтування використання в космічних апаратах фотоелектричних панелей належить радянському вченому, фахівцеві в області електрофізики Н. С. Лідоренко. Ним же проведений перший розрахунок ефективності сонячних батарей в космосі, виходячи з технологічних можливостей 1960 – 1970 років. Модулі на базі розрахунків Лідоренко виявилися дорогими, але надійними, і багато принципів їх роботи лежать в основі сучасних космічних панелей.

Завдяки енергії від сонячних панелей, в космосі успішно працюють:

• 241 з 244 міжпланетних апаратів, найстаріший з яких – «Піонер-5» – був запущений СРСР в 1960 році (виняток становлять лише апарати, подібні «Вояджер», відправлені в наддалекий космос з двигунами на радіоізотопах);
• 72 з 79 місяцеходів та модулів що опускалися на Місяць (7 інших призначалися не для тривалої роботи та були звичайними посадочними капсулами);
• 12 з 14 марсоходів (перші два, радянські «Марс-2» і «Марс-3», відправлені в 1971 році, перестали передавати сигнал відразу після посадки);
• кілька сотень стаціонарних орбітальних супутників.

Це найкраще підтвердження того факту, що в якості джерела енергії сонячні батареї в космосі поки не мають гідних альтернатив.

Плюси та мінуси космічних геліопанелей

Основними перевагами використання батарей на орбіті є:

• постійна присутність Сонця;
• вища щільність електромагнітного потоку;
• відсутність атмосферних перешкод;
• незалежність від погоди.

Основними недоліками функціонування панелей в космосі служать:

• прискорена деградація осередків (відбувається під впливом жорсткого радіаційного випромінювання, що руйнує будь-які матеріали);
• велика собівартість виводу вантажу на орбіту Землі (близько $ 2000 за 1 кг маси);
• дублювання електричних мереж і підвищені вимоги до механічної захисту (серйозні пошкодження осередкам панелей здатні завдати навіть мікрометеорити розміром з рисове зернятко, через їх космічних швидкостей).

Проте, сучасні сонячні батареї, що працюють в космосі, мають ККД понад 40%, а їх продуктивність на 50-55% вище, ніж модулів аналогічного типу і потужності на Землі.

Космічні СЕС майбутнього – чи потрібні вони?

Із забезпеченням великих і малих космічних апаратів – від літаючих телескопів типу Хаббла до Міжнародної космічної станції – сонячні панелі справляються чудово. Але метою енергетики майбутнього є створення в космосі повноцінних геліостанцій, що постачають енергією Землі. Технологічних перешкод для цього не існує, і на сьогодні проблема полягає тільки в економічній доцільності.

Чому ця ідея не покидає вчених і інженерів? Головні причини наступні:

1. Ефективність сонячних батарей в космосі в півтора раза вище, ніж на землі. Це означає, що при появі кількох проривних технологій – зокрема, дешевої доставки вантажів на орбіту космічними ліфтами – створення величезних полів фотоелектричних панелей стане економічно вигідним.
2. За межами планети немає проблем з ділянками. Теоретично перетворювачі енергії можуть являти собою суцільне кільце або густу мережу в навколоземному просторі.
3. Космічні модулі не залежатимуть від погоди та вимушеного простою вночі.

Противники даного напрямку розвитку сонячної енергетики в якості аргументів наводять такі твердження.

1. Потужний потік випромінювання від великої концентрації сонячних батарей в космосі небезпечний для озонового шару.
2. Надходження з орбіти на поверхню планети надмірної кількості енергії призведе до швидкого підвищення середньої температури на планеті.

Хто в цьому питанні правий – судити поки рано, оскільки технічні та фінансові труднощі подібних проектів не дозволяють говорити про їх реалізацію раніше середини XXI століття.

Які сонячні батареї найбільш ефективні в космосі?

Протягом майже 50 років єдиним можливим варіантом панелей для позаземних апаратів були кремнієві модулі, але в даний момент перевага віддається тонкоплівковим панелям.
При економії на технологіях допоміжного підвищення ККД (фокусуючих лінзах, дзеркалах, штучному охолодженні і т.д.) панелей рівних багатошаровим гібридам на базі телуриду кадмію або сульфіду германію та індію поки не існує. Кращі такі «космічні» зразки показують ККД, близький до 50%, а «наземна» тонкоплівкова масова продукція на 20-25% перевершує по ефективності кремнієвих конкурентів.

До таких батарей відносяться останні тонкоплівкові моделі панелей компанії First Solar (США), які можна придбати в Україні у офіційного дистриб’ютора американського концерну, вітчизняної фірми Green Tech Trade.