Кіріспе

Күн жүйесінің ішкі аймағында жұмыс істейтін ғарыш кемелерінде фотоэлектрлік күн панельдері пайдаланылады. Күн жүйесінің ішкі аймағында жұмыс істейтін ғарыш кемелері әдетте күн сәулесінен электр энергиясын алу үшін қуат электроникасымен басқарылатын фотоэлектрлік күн панельдерін қолданады. Юпитер орбитасынан тыс аймақта күн сәулесінің күші қазіргі күн технологиясының мүмкіндіктері мен ғарыш кемелерінің массалық шектеулеріне байланысты жеткілікті қуат өндіру үшін жеткіліксіз, сондықтан қуат көзі ретінде радиоизотопты термоэлектр генераторлары (RTG) қолданылады.

Тарих

Кремнийге негізделген алғашқы практикалық күн жадырақтарын 1940 жылы Bell Labs зерттеушісі Рассел Шомейкер Оль ұсынды. Оның тиімділігі тек 1% болды. 1954 жылдың 25 сәуірінде Нью-Джерси штатының Мюррей Хилл қаласында олар күн панелін көрсетіп, оның көмегімен шағын ойыншық дөңгелек пен күн энергиясымен жұмыс істейтін радио хабар таратушыны қуаттандырды. Бастапқыда олардың тиімділігі шамамен 6% болды, бірақ жақсартулар осы көрсеткішті дереу арттыруға мүмкіндік берді. Bell компаниясы бұл идеяны қашықтағы телефон ретрансляциялық станцияларын қуатпен қамтамасыз ету жүйесі ретінде қарастырды, бірақ құрылғылардың құны осы мақсатта қолдану үшін тым жоғары болды. Шағын тәжірибелік жиынтықтар мен қолданулардан басқа, жасушалар көбінесе қолданылмады. Бұл 1958 жылы АҚШ-тың алғашқы спутнигі Vanguard 1 құрылысымен өзгерді. Доктор Ханс Зиглердің есептеулері, күн жасушаларын пайдаланып батареяны зарядтау жүйесі, тек батареяны пайдалануға қарағанда қажетті қуатты әлдеқайда жеңіл конструкцияда қамтамасыз ететінін көрсетті. Спутник кремнийлі күн жасушаларымен қуаттандырылды, олардың конверсия тиімділігі ≈10% құрады. "Авангард" жүйесінің сәттілігі Spectrolab оптикалық компаниясын ғарышқа арналған күн жасушаларын әзірлеуге ынталандырды. Олар 1958 жылы "Пионер 1" жобасында алғашқы маңызды жетістікке қол жеткізді, ал кейіннен "Аполлон-11" миссиясының ALSEP құрамында Айға барған алғашқы жасушалар болды. Спутниктердің өлшемі мен қуаты артқан сайын, Spectrolab одан да қуатты жасушаларды енгізудің жолдарын іздеуді бастады. Бұл оларды көп қиылысты жасушаларды жасауға бастады, олар 1970 жылдардағы кремнийлі жасушалардың тиімділігін 12%-дан қазіргі галлий арсениді (GaAs) жасушаларының шамамен 30%-ға дейін арттырды. Осы типтегі жасушалар қазір күн энергиясымен жұмыс істейтін барлық ғарыш кемелерінде дерлік қолданылады.

Әдетте қолданылатын күн батареялары түрлері

1990 жылдардың басына дейін ғарышта қолданылатын күн панельдері негізінен кристалды кремнийден жасалған күн элементтерін пайдаланды. 1990 жылдардың басынан бастап галлий арсенидіне негіделген күн элементтері кремнийге қарағанда тиімдірек болғандықтан және ғарыш радиациясының әсеріне кремнийге қарағанда жай ыдырайтындықтан, олар басымдыққа ие болды. Қазіргі уақытта өндірістегі ең тиімді күн элементтері – көп қиылысты фотоэлектрлік элементтер. Бұл элементтер индий-галлий фосфиді, галлий арсениді және германийдің бірнеше қабаттарының комбинациясын пайдаланып, күн сәулесінен көбірек энергия жинайды. Ең озық көп қиылысты элементтер концентрацияланбаған AM1.5G жарықтандыруда 39,2%-дан, ал концентрацияланған AM1.5G жарықтандыруда 47,1%-дан асып кетеді.

Күн энергиясын пайдаланған ғарыш кемелері

Бүгінгі күнге дейін, қозғалтқыштан басқа, Күн энергиясы Күннен Юпитер орбитасынан артық емес қашықтықта жұмыс істейтін ғарыш кемелері үшін тиімді болды. Мысалы, Юно, Магеллан, Марс Global Surveyor және Марс Observer, сондай-ақ Жерді айналатын Хаббл ғарыш телескопы Күн энергиясын пайдаланды. 2004 жылдың 2 наурызында ұшырылған Розетта ғарыш аппараты өз күн панельдерін Юпитер орбитасына дейін (5.25 АЕ) қолданды; ал бұған дейін ең алыс қолданылған Stardust ғарыш кемесі 2 АЕ қашықтықта болды. Еуропалық SMART 1 айға ұшу миссиясында да Күн энергиясы Hall эффектілі қозғалтқышпен бірге қолданылды. 2011 жылы ұшырылған Juno миссиясы – бұрынғы Күн жүйесінің сыртқы миссияларында қолданылатын дәстүрлі RTG орнына күн панельдерін пайдаланған Юпитерге (Юпитерге 2016 жылдың 4 шілдесінде жеткен) алғашқы миссия. Осыған байланысты, ол күн панельдерін пайдалану бойынша ең алыс ғарыш кемесі болып табылады. Ол панельдерден тұрады. Қазір Марста жұмыс істейтін InSight қондырғышы, Ingenuity тікұшағы, Tianwen 1 орбиталық аппараты және Zhurong ровері де күн панельдерін пайдаланады. Тағы бір қызықты ғарыш кемесі – 2011 жылы 4 Веста орбитасына енген Dawn болды. Ол иондық қозғалтқыштардың көмегімен Церераға жетті. Юпитерден тыс жерлерде Күн энергиясымен жұмыс істейтін ғарыш кемелерінің мүмкіндіктері зерттелді. Халықаралық ғарыш станциясы да барлық құрылғыларын қуаттандыру үшін күн батареяларын пайдаланады. 262 400 күн батареясы шамамен жерді алып жатыр. Станцияны қуатпен қамтамасыз ету үшін төрт жиынтық күн батареясы қолданылады, ал төртінші жиынтық 2009 жылдың наурызында орнатылды. Осы күн батареяларынан 240 киловатт электр энергиясын өндіруге болады. Бұл жүйедегі орташа қуат 120 киловаттты құрайды, оның ішінде ХҒС уақытының 50% Жердің көлеңкесінде өтеді.

Болашақтағы пайдалану

Болашақ миссиялар үшін күн батареясының массасын азайту және бірлік ауданына генерирленетін қуатты арттыру маңызды. Бұл ғарыш кемесінің жалпы массасын азайтады және күн энергиясымен жұмыс істейтін ғарыш кемелерін күннен үлкен қашықтықта пайдалану мүмкіндігін тудырады. Күн батареясының массасын жұқа пленкалы фотоэлектрлік жасушалар, икемді жамылғылар және композиттік тірек құрылымдары арқылы азайтуға болады. Күн батареясының тиімділігін жаңа фотоэлектрлік жасуша материалдарын және түсетін күн сәулесін күшейтетін күн концентраторларын қолдану арқылы арттыруға болады. Күн концентраторлы фотоэлектрлік батареялар – бұл ғарыш кемесіне негізгі қуат беруге арналған, күн сәулесін күшейтетін құрылғылар. Бұл конструкцияда үлкен ауданнан күн сәулесін жинап, оны кішірек нүктеге шоғырландыратын Френель линзасы деп аталатын жалпақ линза қолданылады, бұл күн жасушасының кішірек ауданын пайдалануға мүмкіндік береді. Күн концентраторлары әрбір күн жасушасының үстіне осындай линзаны орнатады. Бұл жарықты үлкен концентратор ауданынан кішірек жасуша ауданына бағыттайды. Бұл концентрация деңгейіне пропорционалды түрде қымбат күн жасушаларының мөлшерін азайтуға мүмкіндік береді. Концентраторлар жарық көзі біреу болғанда және концентратор оған тура бағытталғанда ең жақсы жұмыс істейді. Бұл ғарыштағы жағдайға өте қолайлы, себебі Күн жалғыз жарық көзі. Күн жасушалары – күн батареяларының ең қымбат бөлігі, ал батареялар көбінесе ғарыш кемесінің өте қымбат бөлігі болып табылады. Бұл технология материалды аз қолдану арқасында шығындарды айтарлықтай төмендетуге мүмкіндік береді.