مقدمة

مساحة البطارية الشمسية إمدادات الطاقة

حاليًا، إحدى أولويات التطوير الاستراتيجي للإمكانات العلمية والتقنية للجمهورية هي إنشاء صناعة الفضاء. ولهذا الغرض، تم إنشاء وكالة الفضاء الوطنية (كازكوسموس) في كازاخستان في عام 2007، والتي تهدف أنشطتها في المقام الأول إلى تطوير وتنفيذ تكنولوجيات الفضاء المستهدفة وتطوير علوم الفضاء لصالح التنمية الاجتماعية والاقتصادية للبلاد. .

يتم إجراء أبحاث الفضاء العلمية في كازكوسموس بشكل رئيسي في المركز الوطني لأبحاث وتكنولوجيا الفضاء JSC (NTSKIT JSC)، والذي يضم أربعة معاهد بحثية: معهد الفيزياء الفلكية الذي يحمل اسمه. ف.ج. فيسينكوفا، معهد الأيونوسفير، معهد أبحاث الفضاء، معهد هندسة وتكنولوجيا الفضاء. تمتلك الشركة المساهمة "NTSKIT" قاعدة تجريبية كبيرة: أسطول من أجهزة القياس الحديثة ومواقع الاختبار والمراصد والمراكز العلمية لإجراء البحوث العلمية الأساسية والتطبيقية في مجال الأنشطة الفضائية وفق الأولويات المعتمدة.

تم تنظيم الشركة المساهمة "المركز الوطني لأبحاث وتكنولوجيا الفضاء" JSC "NTSKIT" من خلال إعادة تنظيم المؤسسة الحكومية الجمهورية مع حق الإدارة الاقتصادية "مركز أبحاث الفيزياء الفلكية" والشركات التابعة لها على أساس مرسوم حكومة جمهورية جمهورية كازاخستان رقم 38 بتاريخ 22 يناير 2008.

الموضوع الرئيسي لنشاط الشركة المساهمة هو تنفيذ أنشطة البحث والتطوير والإنتاج والأنشطة الاقتصادية في مجال أبحاث وتكنولوجيا الفضاء.

يعد نظام إمداد الطاقة أحد أهم الأنظمة الموجودة على متن أي مركبة فضائية، والتي تحدد في المقام الأول خصائص أدائها وموثوقيتها وعمر الخدمة وكفاءتها الاقتصادية. ولذلك، فإن مشاكل التطوير والبحث وإنشاء أنظمة إمدادات الطاقة للمركبات الفضائية لها أهمية قصوى.

لا يمكن تصور أتمتة عمليات التحكم في الطيران لأي مركبة فضائية بدون طاقة كهربائية. تُستخدم الطاقة الكهربائية لتشغيل جميع عناصر أجهزة ومعدات المركبات الفضائية (مجموعة الدفع، وأدوات التحكم، وأنظمة الاتصالات، والأجهزة، والتدفئة، وما إلى ذلك).

بشكل عام، يقوم نظام إمداد الطاقة بتوليد الطاقة، وتحويلها وتنظيمها، وتخزينها لفترات ذروة الطلب أو عمليات الظل، وتوزيعها في جميع أنحاء المركبة الفضائية. قد يقوم النظام الفرعي لمصدر الطاقة أيضًا بتحويل وتنظيم الجهد أو توفير مجموعة من مستويات الجهد. فهو يقوم بتشغيل وإيقاف تشغيل المعدات بشكل متكرر، ولتحسين الموثوقية، فإنه يحمي من الدوائر القصيرة ويعزل الأخطاء. يتأثر تصميم النظام الفرعي بالإشعاع الكوني الذي يسبب تدهور الألواح الشمسية. غالبًا ما يحد عمر البطارية الكيميائية من عمر المركبة الفضائية.

المشاكل الحالية هي دراسة الميزات الوظيفية لمصادر الطاقة الفضائية. تتطلب دراسة واستكشاف الفضاء الخارجي تطوير وإنشاء مركبات فضائية لأغراض مختلفة. حاليًا، تعد المركبات الفضائية الأوتوماتيكية غير المأهولة هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لتشكيل نظام عالمي للاتصالات والتلفزيون والملاحة والجيوديسيا، ونقل المعلومات، ودراسة الظروف الجوية والموارد الطبيعية للأرض، وكذلك استكشاف الفضاء السحيق. لإنشائها، من الضروري ضمان متطلبات صارمة للغاية لدقة اتجاه الجهاز في الفضاء وتصحيح المعلمات المدارية، وهذا يتطلب زيادة إمدادات الطاقة للمركبة الفضائية.

1. معلومات عامة عن الشركة المساهمة “NCIT”

القيام بأعمال البحث والتطوير لإنشاء أجهزة وبرامج لأنظمة التصحيح التفاضلي ومعدات الملاحة الاستهلاكية.

النمذجة الموجهة للكائنات وتطوير البرامج والأجهزة لنظام النمذجة ثلاثي الأبعاد واسع النطاق باستخدام تقنيات الملاحة عبر الأقمار الصناعية ونطاق الليزر.

تطوير نماذج هندسية لمجموعة من المعدات العلمية لإجراء القياسات على متن الطائرة وتجميع المعلومات العلمية المستهدفة والبرمجيات لتشغيلها.

إنشاء برامج علمية ومنهجية لحل مشاكل التحليل والتنبؤ المعقد لتطور تكنولوجيا الفضاء في جمهورية كازاخستان.

إنشاء البرمجيات والدعم الرياضي ونماذج المحاكاة للمركبات الفضائية والأنظمة الفرعية.

تطوير عينات تجريبية من الأجهزة والمعدات والمكونات والأنظمة الفرعية للأقمار الصناعية الصغيرة.

إنشاء الدعم العلمي والمنهجي والقاعدة التنظيمية والتقنية لحل مشاكل التنظيم الفني.

تنظيم متطلبات تطوير وتصميم وإنشاء وتشغيل تكنولوجيا الفضاء، وضمان سلامتها وتقييمها وتأكيد الامتثال لها.

وفقًا للمرسوم الحكومي رقم 38 المؤرخ 22 يناير 2008 "بشأن إعادة تنظيم مؤسسة الدولة الجمهورية "مركز أبحاث الفيزياء الفلكية" التابع لوكالة الفضاء الوطنية لجمهورية كازاخستان والمؤسسات الحكومية التابعة لها"، مركز RSE للفيزياء الفلكية "الأبحاث" والشركات التابعة لها "معهد الأيونوسفير" و"معهد الفيزياء الفلكية الذي يحمل اسمه". ف.ج. Fesenkov"، "معهد أبحاث الفضاء" من خلال الاندماج والتحول إلى شركة مساهمة "المركز الوطني لأبحاث وتكنولوجيا الفضاء" بمشاركة الدولة بنسبة 100٪ في رأس المال المصرح به.

شهادة تسجيل الدولة لشركة JSC "NTSKIT" - رقم 93168-1910-AO، رقم التعريف 080740009161، بتاريخ 16 يوليو 2008، مسجلة لدى وزارة العدل في ألماتي بوزارة العدل في جمهورية كازاخستان

.2 الخصائص العامة للمنظمة

تم تسجيل شركة مساهمة "المركز الوطني لأبحاث وتكنولوجيا الفضاء" في 16 يوليو 2008.

في الفترة من 2004 إلى 15 يوليو 2008، كان JSC NTsKIT قانونيًا مؤسسة الدولة الجمهورية "مركز أبحاث الفيزياء الفلكية" (مع حق الإدارة الاقتصادية)، والذي تم إنشاؤه وفقًا لمرسوم حكومة جمهورية كازاخستان بتاريخ 5 مارس 2004 رقم 280 "إصدارات بعض المؤسسات الحكومية الجمهورية التابعة لوزارة التعليم والعلوم في جمهورية كازاخستان." تم إنشاء RSE على أساس إعادة تنظيم ودمج المؤسسات الحكومية الحكومية الجمهورية "معهد أبحاث الفضاء" و"معهد الأيونوسفير" و"معهد الفيزياء الفلكية الذي يحمل اسم V.G." Fesenkov" ، والتي تم منحها الوضع القانوني للشركات التابعة للمؤسسات الحكومية.

بموجب مرسوم من حكومة جمهورية كازاخستان بتاريخ 29 مايو 2007 رقم 438 "قضايا وكالة الفضاء الوطنية"، تم نقل "مركز أبحاث الفيزياء الفلكية" RSE (مع حق الإدارة الاقتصادية) إلى اختصاص وكالة الفضاء الوطنية لجمهورية كازاخستان.

تم تنظيم معهد أبحاث الفضاء التابع لأكاديمية العلوم في جمهورية كازاخستان الاشتراكية السوفياتية وفقًا لقرار مجلس وزراء جمهورية كازاخستان الاشتراكية السوفياتية رقم 470 بتاريخ 12 أغسطس 1991. المؤسس والمدير الأول للمعهد هو الحائز على جائزة الدولة لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، الحائز على وسام لينين، راية العمل الحمراء، "باراسات"، أكاديمي الأكاديمية الوطنية للعلوم في جمهورية كازاخستان سلطان غازين أوميرزاك مخموتوفيتش (1936 - 2005). في يناير 2011، تم تسمية المعهد على اسم الأكاديمي يو.م. سلطانجازينا.

كان موضوع أنشطة المعهد هو إجراء البحوث الأساسية والتطبيقية في إطار البرامج والمشاريع الحكومية والصناعية والدولية، فضلاً عن أداء العمل بموجب المنح المقدمة من الصناديق المحلية والأجنبية في مجال استشعار الأرض عن بعد (ERS)، ومراقبة الفضاء. ونمذجة المعلومات الجغرافية وعلوم المواد الفضائية.

وقام معهد أبحاث الفضاء، باعتباره المنظمة الأم، بتنسيق بحوث معاهد الأكاديمية الوطنية للعلوم لجمهورية كازاخستان والمنظمات الإدارية الأخرى في تطوير وتنفيذ جميع البرامج الكازاخستانية الأربعة للبحث العلمي والتجارب على متن مير. المجمع المداري بمشاركة رائد الفضاء T.O.أوباكيروف. (1991) وبمشاركة رائد الفضاء ت.أ.موسابايف. - (1994، 1998)، على متن محطة الفضاء الدولية - بمشاركة رائد الفضاء ت.أ.موسابايف (2001).

معهد أبحاث الفضاء سمي على اسم الأكاديمي يو.م. كانت Sultangazina جزءًا من JSC NTsKIT ككيان قانوني منفصل في حالة شراكة فرعية ذات مسؤولية محدودة.

منذ عام 2014تم دمج المعهد والجهاز الإداري لـ JSC "NCIT" في هيكل واحد، مع الحفاظ على تكوين الموظفين ومجالات البحث.

1.3 أنواع أنشطة الهيئة المساهمة "NCIT"

تنسيق ودعم وتنفيذ الأنشطة البحثية. أبحاث الفضاء الأساسية والتطبيقية

تشكيل التوجهات والخطط الرئيسية للبحث العلمي، وتقديم البحث العلمي المكتمل إلى وكالة الفضاء الوطنية لجمهورية كازاخستان؛

تقديم الاستنتاجات والتوصيات إلى وكالة الفضاء الوطنية لجمهورية كازاخستان بناءً على التقارير السنوية للمنظمات العلمية بشأن الأنشطة العلمية والعلمية التقنية؛

دعم وتنفيذ التصميم التجريبي والأنشطة الإنتاجية والاقتصادية

إنشاء نظم معلومات جغرافية تعتمد على أساليب المسح الجوي؛

استقبال ومعالجة وتوزيع وتبادل وبيع بيانات استشعار الأرض عن بعد من الفضاء؛

تطوير وتشغيل الأصول الفضائية لأغراض مختلفة، وأنظمة الاتصالات الفضائية والملاحة والاستشعار عن بعد؛

تقديم الخدمات الهندسية والإستشارية

إجراء البحوث التسويقية

تنفيذ الأنشطة المبتكرة

الإعلام عن أنشطة وكالة الفضاء الوطنية – جمهورية كازاخستان وتعزيز الإنجازات العلمية

الدعاية لإنجازات العلوم وتقنيات الفضاء والتنظيم. عقد المؤتمرات والدورات والمؤتمرات والندوات والاجتماعات والمعارض الدولية والجمهورية. نشر المجلات العلمية والأعمال والمعلومات حول أنشطة وكالة الفضاء الوطنية لجمهورية كازاخستان

تدريب الكوادر العلمية المؤهلة تأهيلا عاليا. حماية الملكية الفكرية

تطوير الوثائق التنظيمية والقانونية

تكوين الموظفين

في المجموع - 450 متخصصًا وعالمًا مؤهلاً.

من بينهم 27 طبيبًا في العلوم، و73 مرشحًا للعلوم، وأكاديميين اثنين، وعضوين مناظرين، و3 أطباء دكتوراه.

هيكل المركز

قسم الاستشعار عن بعد

مجالات البحث الرئيسية:

تطوير تقنيات استقبال وأرشفة ومعالجة وعرض بيانات الاستشعار عن بعد. إجراء البحوث العلمية الأساسية والتطبيقية في مجال دراسة الخصائص الطيفية للأجسام الموجودة على سطح الأرض، والرصد الفضائي للأراضي الزراعية والبيئة، وحالات الطوارئ (الفيضانات، والفيضانات، والحرائق)، والتفسير المواضيعي لبيانات الأقمار الصناعية لمختلف الطيفية والمكانية والقرارات الزمنية مبنية على تحليل سلسلة البيانات طويلة المدى للاستشعار عن بعد وحالة سطح الأرض.

إجراء البحوث الفضائية. إنشاء مراكز ظرفية قطاعية وإقليمية للرصد الفضائي لحالات الطوارئ.

قسم نمذجة المعلومات الجغرافية

تطوير نماذج عددية لانتقال الإشعاع القصير الموجة والحراري في الغلاف الجوي لتصحيح الصور الفضائية وحسابات المعلمات الفيزيائية للغلاف الجوي بناء على المعلومات الفضائية.

إنشاء نماذج معلومات جغرافية "لتحليل المخاطر" لتحديد درجة تأثير العوامل الطبيعية والعوامل التي من صنع الإنسان على تطور حالات الطوارئ على خطوط الأنابيب الرئيسية.

إنشاء أساليب وتقنيات آلية للمسح الرقمي والأساليب والخوارزميات الحسابية لتحليل التداخل لبيانات الاستشعار عن بعد.

قسم علوم المواد الفضائية وهندسة الآلات

إنشاء تقنيات لإنتاج المواد الهيكلية والوظيفية للأغراض الفضائية، وكذلك المنتجات المصنوعة منها.

تطوير الأساليب النوعية والتحليلية والعددية لدراسة المشاكل غير الثابتة في ديناميات الأجرام السماوية الاصطناعية والطبيعية.

تطوير نماذج وأساليب رياضية جديدة لتوفير الحركة المبرمجة للمركبات الفضائية.

قسم المعلومات والدعم التعليمي (أستانا)

تنظيم التدريب المتقدم وإعادة تدريب المتخصصين في صناعة الفضاء في كازاخستان.

مركز استقبال المعلومات الفضائية (ألماتي) والمركز العلمي والتعليمي لرصد الفضاء للاستخدام الجماعي (أستانا)

الاستقبال المنتظم وحفظ ومعالجة بيانات صور الأقمار الصناعية من المركبة الفضائية Aqua/MODIS وTerra/MODIS وSuomiNPP (الولايات المتحدة الأمريكية).

هناك شهادة دولية.

DTOO "II" (معهد الأيونوسفير)

موضوع النشاطيجري DTOO "معهد الأيونوسفير" أبحاثًا أساسية واستكشافية وتطبيقية في مجال فيزياء الطاقة الشمسية والأرضية والديناميكا الأرضية: الغلاف الأيوني والمجال المغنطيسي الأرضي، والطقس الفضائي، ورصد الإشعاع في الفضاء القريب من الأرض، والرصد الجيوديناميكي والجيوفيزيائي للفضاء الأرضي القشرة الأرضية لكازاخستان، وإنشاء نظام للتنبؤ بالرواسب المعدنية والجيوديسيا ورسم الخرائط.

DTOO "AFIF" (معهد الفيزياء الفلكية الذي يحمل اسم فيسينكوف)

DTOO "IKTT" (معهد هندسة وتكنولوجيا الفضاء)

شركة تابعة ذات مسؤولية محدودة شراكة "معهد هندسة وتكنولوجيا الفضاء"(المشار إليه فيما يلي باسم "معهد هندسة وتكنولوجيا الفضاء" DTOO) بأمر من وكالة الفضاء الوطنية لجمهورية كازاخستان رقم 65/OD بتاريخ 17 أغسطس 2009.

تم تسجيل DTOO "معهد تكنولوجيا وتكنولوجيا الفضاء" في 23 ديسمبر 2009. المؤسس الوحيد لمعهد تكنولوجيا وتكنولوجيا الفضاء المحدودة هو المركز الوطني لأبحاث وتكنولوجيا الفضاء شركة مساهمة.

2. معلومات عامة عن إمدادات الطاقة للمركبات الفضائية

يتم تحديد هندسة المركبة الفضائية وتصميمها وكتلتها وحياتها النشطة إلى حد كبير من خلال نظام إمداد الطاقة الخاص بالمركبة الفضائية. نظام إمداد الطاقة أو يشار إليه بطريقة أخرى باسم نظام إمداد الطاقة (PSS) للمركبة الفضائية - يعد نظام المركبة الفضائية الذي يوفر الطاقة لأنظمة أخرى أحد أهم الأنظمة. يؤدي فشل نظام إمداد الطاقة إلى فشل الجهاز بأكمله.

يشتمل نظام إمداد الطاقة عادةً على: مصدر أساسي وثانوي للكهرباء والمحولات وأجهزة الشحن وأتمتة التحكم.

مصادر الطاقة الأولية

يتم استخدام مولدات الطاقة المختلفة كمصادر أولية:

الألواح الشمسية؛

مصادر التيار الكيميائي:

البطاريات؛

خلايا كلفانية

خلايا الوقود؛

مصادر الطاقة بالنظائر المشعة؛

المفاعلات النووية.

ولا يشمل المصدر الأساسي مولد الكهرباء نفسه فحسب، بل يشمل أيضًا الأنظمة التي تخدمه، على سبيل المثال، نظام توجيه الألواح الشمسية.

في كثير من الأحيان يتم الجمع بين مصادر الطاقة، على سبيل المثال، بطارية شمسية مع بطارية كيميائية.

خلايا الوقود

تتميز خلايا الوقود بخصائص وزن وحجم عالية وكثافة طاقة عالية مقارنة بزوج من البطاريات الشمسية والبطارية الكيميائية، كما أنها مقاومة للأحمال الزائدة، ولها جهد ثابت، وصامتة. ومع ذلك، فهي تتطلب إمدادات من الوقود، لذلك يتم استخدامها على الأجهزة مع فترة البقاء في الفضاء من عدة أيام إلى 1-2 أشهر.

تُستخدم خلايا وقود الهيدروجين والأكسجين بشكل أساسي، حيث يوفر الهيدروجين أعلى قيمة من السعرات الحرارية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الماء المتكون نتيجة التفاعل في المركبات الفضائية المأهولة. لضمان التشغيل الطبيعي لخلايا الوقود، من الضروري التأكد من إزالة الماء والحرارة المتولدة نتيجة للتفاعل. هناك عامل مقيد آخر وهو التكلفة المرتفعة نسبيًا للهيدروجين السائل والأكسجين وصعوبة تخزينهما.

مصادر الطاقة بالنظائر المشعة

تستخدم مصادر الطاقة بالنظائر المشعة بشكل رئيسي في الحالات التالية:

مدة الرحلة الطويلة

بعثات إلى المناطق الخارجية للنظام الشمسي، حيث يكون تدفق الإشعاع الشمسي منخفضًا؛

لا تستطيع أقمار الاستطلاع المزودة برادار المسح الجانبي استخدام الألواح الشمسية بسبب مداراتها المنخفضة، ولكنها تتطلب طاقة عالية.

أتمتة نظام إمدادات الطاقة

ويشمل أجهزة للتحكم في تشغيل محطة توليد الكهرباء، فضلا عن مراقبة معالمها. المهام النموذجية هي: الحفاظ على معلمات النظام ضمن نطاقات محددة: الجهد، ودرجة الحرارة، والضغط، وتبديل أوضاع التشغيل، على سبيل المثال، التبديل إلى مصدر طاقة احتياطي؛ التعرف على الفشل، والحماية في حالات الطوارئ لإمدادات الطاقة، ولا سيما التيار؛ تسليم معلومات حول حالة نظام القياس عن بعد وإلى وحدة تحكم رائد الفضاء. وفي بعض الحالات، من الممكن التحول من التحكم الآلي إلى التحكم اليدوي إما من وحدة تحكم رائد الفضاء أو عن طريق أوامر من مركز التحكم الأرضي.

.1 مبدأ تشغيل البطاريات الشمسية وتصميمها

تعتمد البطارية الشمسية على مولدات الجهد المكونة من الخلايا الشمسية – وهي أجهزة لتحويل الطاقة الضوئية الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية. يعتمد عمل FEP على التأثير الكهروضوئي الداخلي، أي. على ظهور EMF تحت تأثير ضوء الشمس.

المحول الكهروضوئي لأشباه الموصلات (SPV) هو جهاز يحول طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة إلى طاقة كهربائية. يعتمد مبدأ تشغيل الخلية الكهروضوئية على تفاعل ضوء الشمس مع بلورة شبه موصلة، حيث تقوم الفوتونات بإطلاق الإلكترونات في حاملات الشحنة البلورية الكهربائية. المناطق ذات المجال الكهربائي القوي التي تم إنشاؤها خصيصًا تحت تأثير ما يسمى بوصلة p-n تحبس الإلكترونات المحررة وتفصلها بطريقة تنشأ تيارًا وبالتالي طاقة كهربائية في دائرة الحمل.

الآن دعونا نلقي نظرة على هذه العملية بمزيد من التفصيل، ولكن مع تبسيط كبير. لنبدأ بالنظر إلى امتصاص الضوء في المعادن وأشباه الموصلات النقية. عندما يضرب تيار من الفوتونات سطح معدن، ينعكس بعض الفوتونات، ويمتص المعدن الجزء المتبقي. تزيد طاقة الجزء الثاني من الفوتونات من سعة اهتزازات الشبكة وسرعة الحركة الفوضوية للإلكترونات الحرة. إذا كانت طاقة الفوتون عالية جدًا، فقد تكون كافية لإخراج إلكترون من المعدن، مما يمنحه طاقة مساوية أو أكبر من دالة الشغل للمعدن المعطى. هذا هو تأثير كهروضوئي خارجي. مع انخفاض طاقة الفوتون، تذهب طاقتها في النهاية بالكامل إلى تسخين المعدن.

لوحظت صورة مختلفة عندما تتعرض أشباه الموصلات لتدفق الفوتون. على عكس المعادن، فإن أشباه الموصلات البلورية في شكلها النقي (بدون شوائب)، إذا لم تتأثر بأي عوامل خارجية (درجة الحرارة، المجال الكهربائي، الإشعاع الضوئي، وما إلى ذلك)، لا تحتوي على إلكترونات حرة منفصلة عن ذرات الشبكة البلورية أشباه الموصلات

أرز. 2.1 - امتصاص الضوء في المعادن وأشباه الموصلات: 1 - نطاق (التكافؤ) المملوء، 2 - فجوة النطاق، 3 - نطاق التوصيل، 4 - الإلكترون

ومع ذلك، نظرًا لأن المادة شبه الموصلة تكون دائمًا تحت تأثير بعض درجات الحرارة (في أغلب الأحيان درجة حرارة الغرفة)، فيمكن لجزء صغير من الإلكترونات، بسبب الاهتزازات الحرارية، الحصول على طاقة كافية لفصلها عن ذراتها. تصبح هذه الإلكترونات حرة ويمكن أن تشارك في نقل الكهرباء.

تكتسب ذرة شبه الموصل التي فقدت إلكترونًا شحنة موجبة تساوي شحنة الإلكترون. ومع ذلك، فإن المكان في الذرة الذي لا يشغله إلكترون يمكن أن يشغله إلكترون من ذرة مجاورة. وفي هذه الحالة تصبح الذرة الأولى متعادلة، والذرة المجاورة لها موجبة الشحنة. إن المساحة الفارغة في الذرة نتيجة لتكوين إلكترون حر تعادل جسيمًا موجب الشحنة يسمى الثقب.

الطاقة التي يمتلكها الإلكترون في حالة مرتبطة بالذرة تقع ضمن النطاق (التكافؤ) المملوء. طاقة الإلكترون الحر عالية نسبيًا وتقع في نطاق طاقة أعلى - نطاق التوصيل. بينهما تقع المنطقة المحرمة، أي. منطقة ذات قيم طاقة لا يمكن أن تكون لها إلكترونات مادة شبه موصلة معينة في حالة حرة أو مقيدة. تتراوح فجوة النطاق لمعظم أشباه الموصلات بين 0.1 و1.5 فولت. بالنسبة لقيم فجوة النطاق التي تزيد عن 2.0 فولت، فإننا نتعامل مع المواد العازلة.

إذا كانت طاقة الفوتون تساوي أو تتجاوز فجوة النطاق، فسيتم فصل أحد الإلكترونات عن ذرته ونقله من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل.

تؤدي الزيادة في تركيز الإلكترونات والثقوب إلى زيادة موصلية أشباه الموصلات. تسمى الموصلية الحالية في أشباه الموصلات النقية أحادية البلورة الناشئة تحت تأثير العوامل الخارجية بالموصلية الجوهرية. مع اختفاء التأثيرات الخارجية، تتحد أزواج الثقوب الإلكترونية الحرة مع بعضها البعض وتميل الموصلية الجوهرية لأشباه الموصلات إلى الصفر. لا توجد أشباه موصلات نقية بشكل مثالي لها موصليتها الخاصة فقط. عادةً ما يكون لأشباه الموصلات موصلية إلكترونية (النوع n) أو موصلية ثقبية (النوع p).

يتم تحديد نوع الموصلية من خلال تكافؤ ذرات أشباه الموصلات وتكافؤ ذرات الشوائب النشطة المضمنة في شبكتها البلورية. على سبيل المثال، بالنسبة للسيليكون (المجموعة الرابعة من جدول مندليف الدوري)، فإن الشوائب النشطة هي البورون والألومنيوم والغاليوم والإنديوم والثاليوم (المجموعة الثالثة) أو الفوسفور والزرنيخ والأنتيمون والبزموت (المجموعة الخامسة). تحتوي الشبكة البلورية السيليكونية على شكل ترتبط فيه كل ذرة سيليكون موجودة في موقع شبكي بأربع ذرات سيليكون أخرى مجاورة عن طريق ما يسمى بالروابط التساهمية أو الزوجية الإلكترونية.

عناصر المجموعة الخامسة (المانحة)، الموجودة في مواقع الشبكة البلورية السيليكونية، لها روابط تساهمية بين إلكتروناتها الأربعة والإلكترونات الأربعة لذرات السيليكون المجاورة، ويمكن تحرير الإلكترون الخامس بسهولة. تقوم عناصر المجموعة الثالثة (المستقبلات)، المدمجة في مواقع الشبكة البلورية السيليكونية، بجذب إلكترون من إحدى ذرات السيليكون المجاورة لتكوين أربع روابط تساهمية، وبالتالي تشكل ثقبًا. وهذه الذرة بدورها تستطيع جذب إلكترون من إحدى ذرات السيليكون المجاورة لها، الخ.

الخلية الشمسية عبارة عن خلية ضوئية شبه موصلة ذات طبقة بوابة، ويعتمد تشغيلها على التأثير الكهروضوئي الذي تمت مناقشته للتو. لذلك، فإن آلية تشغيل محطة إثراء الوقود هي كما يلي (الشكل 2.2).

تتكون بلورة FEP من مناطق p وn، والتي لها موصلية ثقب وإلكترون، على التوالي. يتم تشكيل تقاطع p-n (طبقة حاجزة) بين هذه المناطق. سمكها 10-4 - 10-6 سم.

نظرًا لوجود المزيد من الإلكترونات على أحد جانبي الوصلة pn والثقوب على الجانب الآخر، فإن كل حاملة للتيار الحر ستميل إلى الانتشار في ذلك الجزء من الخلية الشمسية حيث لا يوجد ما يكفي منها. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء توازن ديناميكي للشحنات عند تقاطع p-n في الظلام ويتم تشكيل طبقتين من الشحنات الفضائية، مع تشكيل شحنات سالبة على جانب المنطقة p وشحنات موجبة على جانب المنطقة n.

سيمنع حاجز الجهد المحدد (أو فرق جهد الاتصال) المزيد من الانتشار الذاتي للإلكترونات والثقوب عبر تقاطع p-n. يتم توجيه فرق جهد الاتصال في المملكة المتحدة من المنطقة n إلى المنطقة p. يتطلب انتقال الإلكترونات من المنطقة n إلى المنطقة p بذل جهد Uк · e، والذي يتحول إلى الطاقة الكامنة للإلكترونات.

ولهذا السبب، فإن جميع مستويات الطاقة في المنطقة p ترتفع نسبة إلى مستويات الطاقة في المنطقة n بقيمة حاجز الجهد UK · e. وفي الشكل، تتوافق الحركة الصعودية على طول المحور الإحداثي مع زيادة في طاقة الإلكترونات وانخفاض في طاقة الثقوب.

أرز. 2.2 - مبدأ تشغيل الخلايا الشمسية (يشار إلى الإلكترونات بالنقاط، ويشار إلى الثقوب بالدوائر)

وبالتالي فإن حاجز الجهد يشكل عائقاً أمام حاملات الأغلبية (في الاتجاه الأمامي)، لكنه لا يمثل أي مقاومة بالنسبة لحاملات الأقلية (في الاتجاه العكسي).

تحت تأثير ضوء الشمس (فوتونات طاقة معينة)، سيتم إثارة ذرات أشباه الموصلات، وستظهر أزواج ثقب الإلكترون (الزائدة) الإضافية في البلورة في المنطقتين p وn (الشكل 2.2، ب) ). يؤدي وجود حاجز محتمل في الوصلة p-n إلى فصل ناقلات الأقلية الإضافية (الشحنات) بحيث تتراكم الإلكترونات الزائدة في المنطقة n، والثقوب الزائدة في المنطقة p، والتي لم يكن لديها الوقت لإعادة الاتحاد قبل أن تكون اقترب من تقاطع p-n. في هذه الحالة، سيحدث تعويض جزئي لشحنة الفضاء عند تقاطع p-n وسيزداد المجال الكهربائي الناتج عنها والموجه ضد فرق جهد الاتصال، مما يؤدي معًا إلى انخفاض حاجز الجهد.

ونتيجة لذلك، سيتم إنشاء فرق الجهد U بين الأقطاب الكهربائية F ، وهو في الأساس صورة emf. إذا تم تضمين حمل كهربائي خارجي في الدائرة الكهروضوئية، فسوف يتدفق فيها تيار كهربائي - تدفق الإلكترونات من المنطقة n إلى المنطقة p، حيث يتم إعادة دمجها مع الثقوب. يتم عرض خصائص فولت أمبير وفولت للخلية الشمسية في الشكل 2.3، والذي يتضح منه أنه من أجل استخراج أقصى قدر من الطاقة الكهربائية من الخلية الشمسية، من الضروري ضمان تشغيلها في نطاق ضيق إلى حد ما من جهد الخرج (0.35 - 0.45 فولت).

الوزن 1 م 2SB 6...10 كجم، منها 40% كتلة FEP. من الخلايا الكهروضوئية، التي لا يزيد متوسط ​​حجمها عن 20 مم، يتم الاتصال بمولدات الجهد عن طريق توصيلها على التوالي بقيمة الجهد المطلوبة، على سبيل المثال، بقيمة اسمية تبلغ 27 فولت.

أرز. 2.3 - اعتماد الجهد والطاقة النوعية على كثافة التيار الكهروضوئي

يتم تركيب مولدات الجهد، ذات الأبعاد الإجمالية حوالي 100 × 150 مم، على الألواح الشمسية وتوصيلها على التوالي للحصول على الطاقة المطلوبة عند خرج نظام الطاقة الشمسية.

بالإضافة إلى الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون، والتي لا تزال تستخدم في معظم مراكز الطاقة الشمسية الكهروضوئية، فإن الخلايا الشمسية المعتمدة على زرنيخيد الغاليوم وكبريتيد الكادميوم هي الأكثر أهمية. تتمتع بدرجة حرارة تشغيل أعلى من الخلايا الشمسية السيليكونية (والخلايا الشمسية المعتمدة على زرنيخيد الغاليوم تتمتع بكفاءة أعلى من الناحية النظرية والعملية). تجدر الإشارة إلى أنه مع زيادة فجوة النطاق لأشباه الموصلات، يزداد جهد الدائرة المفتوحة والكفاءة النظرية للخلية الشمسية المبنية عليها. ومع ذلك، عندما تكون فجوة النطاق أكثر من 1.5 فولت، تبدأ كفاءة الخلية الشمسية في الانخفاض، نظرًا لأن نسبة متزايدة من الفوتونات لا يمكنها تشكيل زوج من ثقب الإلكترون. وبالتالي، هناك فجوة نطاق مثالية (1.4 - 1.5 فولت)، حيث تصل كفاءة الخلية الشمسية إلى أقصى قيمة ممكنة.

3. محطات الطاقة الكهروكيميائية الفضائية

مصدر التيار الكهروكيميائي (ECS) هو أساس أي وحدة CEU كهروكيميائية. وهي تشتمل على أقطاب كهربائية، والتي عادة ما تكون مواد فعالة، وإلكتروليتًا، وفاصلًا، وبنية خارجية (وعاء). عادةً ما يتم استخدام المحلول المائي لقلوي KOH كإلكتروليت لـ ECHIT المستخدم في المركبات الفضائية.

دعونا نفكر في رسم تخطيطي مبسط وتصميم ECHIT من الفضة والزنك (الشكل 3.1). القطب الموجب عبارة عن موصل تيار شبكي سلكي يتم ضغط مسحوق الفضة المعدنية عليه، ثم تلبيده في فرن عند درجة حرارة حوالي 400 درجة مئوية، مما يمنح القطب القوة والمسامية اللازمة. القطب السالب عبارة عن كتلة مضغوطة على شبكة الموصلات الحالية، وتتكون من أكسيد الزنك (70 - 75٪) وغبار الزنك (25 - 30٪).

عند القطب السالب (Zn)، يتفاعل العامل المؤكسد للمادة الفعالة مع هيدروكسيد الزنك Zn(OH) 2وعلى الموجب (AgO) - تفاعل اختزال المادة الفعالة إلى الفضة النقية. يتم إطلاق الكهرباء إلى الدائرة الخارجية على شكل تدفق من الإلكترونات. في المنحل بالكهرباء، يتم إغلاق الدائرة الكهربائية عن طريق تدفق أيونات OH من القطب الموجب إلى السالب. يعد الفاصل ضروريًا في المقام الأول لمنع الاتصال (وبالتالي ماس كهربائى) للأقطاب الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، فهو يقلل من التفريغ الذاتي لـ ECHI وهو مطلوب لضمان تشغيله العكسي عبر العديد من دورات تفريغ الشحن.

أرز. 3.1 مبدأ تشغيل ECHIT من الفضة والزنك:

القطب الموجب (AgO)، 2 - الحمل الكهربائي،

القطب السالب (الزنك)، 4 - وعاء، 5 - فاصل

ويرجع هذا الأخير إلى أنه مع عدم كفاية الانفصال، يتم اختزال المحاليل الغروية من أكاسيد الفضة الواصلة إلى القطب السالب كاثوديًا على شكل خيوط فضية رفيعة موجهة نحو القطب الموجب، كما يتم اختزال أيونات الزنك على شكل خيوط تنمو نحو القطب الموجب. الأنود. كل هذا يمكن أن يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي في الأقطاب الكهربائية في دورات التشغيل الأولى.

الفاصل (الفاصل) الأكثر ملاءمة لـ ECIT من الفضة والزنك هو فيلم من السليلوز المائي (السيلوفان)، والذي يتورم في المنحل بالكهرباء، ويضغط التجميع، مما يمنع أقطاب الزنك من الذوبان، وكذلك إنبات الإبرة على شكل بلورات الفضة والزنك (التشعبات). عادة ما يكون وعاء ECHIT المصنوع من الفضة والزنك مصنوعًا من البلاستيك (راتنج البولي أميد أو البوليسترين) وله شكل مستطيل. بالنسبة لأنواع أخرى من ECHIT، يمكن تصنيع الأوعية، على سبيل المثال، من الحديد المطلي بالنيكل. عند شحن ECHIT، تم تقليل أكسيد الزنك والفضة على الأقطاب الكهربائية.

لذا فإن تفريغ ECHIT هو عملية إطلاق الكهرباء إلى دائرة خارجية، وشحن ECHIT هو عملية نقل الكهرباء إليها من الخارج من أجل استعادة المواد الأصلية من منتجات التفاعل. تنقسم ECHITs حسب طبيعة عملها إلى خلايا كلفانية (مصادر تيار أولية)، تسمح باستخدام المواد الفعالة لمرة واحدة فقط، وبطاريات كهربائية (مصادر تيار ثانوية)، تسمح بالاستخدام المتكرر للمواد الفعالة بسبب إمكانية استعادتها عن طريق الشحن من مصدر خارجي للكهرباء.

تستخدم وحدات CEU المعتمدة على ECHIT بطاريات كهربائية ذات أوضاع تفريغ يمكن التخلص منها أو قابلة لإعادة الاستخدام، بالإضافة إلى خلايا وقود الهيدروجين والأكسجين.

3.1 مصادر التيار الكيميائي

القوة الدافعة الكهربائية (EMF) لمصدر كيميائي هي الفرق في إمكانات القطب عندما تكون الدائرة الخارجية مفتوحة:

أين و - على التوالي، إمكانات الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية.

تتكون المقاومة الداخلية الإجمالية R لمصدر كيميائي (المقاومة للتيار الثابت) من مقاومة أومية ومقاومة الاستقطاب :

أين - المجالات الكهرومغناطيسية للاستقطاب؛ - قوة التفريغ الحالية.

مقاومة الاستقطاب بسبب التغيرات في إمكانات القطب و عندما يتدفق التيار ويعتمد على درجة الشحن وقوة تيار التفريغ وتكوين الأقطاب الكهربائية ونقاء المنحل بالكهرباء.

;

,

أين و و

.

سعة التفريغ Q (Ah) لمصدر كيميائي هي كمية الكهرباء المنبعثة من المصدر أثناء التفريغ عند درجة حرارة إلكتروليت معينة، والضغط المحيط، وتيار التفريغ، وجهد التفريغ النهائي:

,

وبشكل عام، مع تيار مستمر أثناء التفريغ

أين - القيمة الحالية لتيار التفريغ، A؛ - وقت التفريغ، ح.

,

أين و

.

تعتبر بطاريات الفضة والزنك والكادميوم والنيكل والنيكل والهيدروجين مصادر للتيار الكيميائي.

3.2 بطاريات الفضة والزنك

أصبحت بطاريات الفضة والزنك، بسبب انخفاض كتلتها وحجمها بنفس السعة وانخفاض المقاومة الداخلية عند جهد معين، منتشرة على نطاق واسع في المعدات الكهربائية الفضائية. المادة الفعالة للقطب الموجب للبطارية هي أكسيد الفضة AgO، واللوحة السلبية هي الزنك المعدني. يُستخدم محلول مائي من القلويات KOH كثافته 1.46 جم/سم ككهارل. 3.

يتم شحن البطارية وتفريغها على مرحلتين. أثناء التفريغ في كلتا المرحلتين، يحدث تفاعل أكسدة الزنك على القطب السالب

2OH ˉ تسريح → أكسيد الزنك + ح 2يا+2ه.

عند القطب الموجب، يحدث تفاعل اختزال الفضة على خطوتين. في المرحلة الأولى، يتم اختزال أكسيد الفضة ثنائي التكافؤ إلى أحادي التكافؤ:

2AgO + 2e + H 2يا تسريح → حج 2O + 2OH ˉ.

تبلغ القوة الدافعة الكهربية للبطارية 1.82..1.86 فولت. وفي المرحلة الثانية، عندما يتم تفريغ البطارية بنسبة 30% تقريبًا، يتحول أكسيد الفضة أحادي التكافؤ إلى الفضة المعدنية:

2يا+2ه+ح 2يا تسريح → 2Ag + 2OH ˉ.

تنخفض القوة الدافعة الكهربية للبطارية في لحظة الانتقال من المرحلة الأولى من التفريغ إلى المرحلة الثانية إلى 1.52..1.56 فولت. ونتيجة لذلك، فإن المنحنى 2 للتغير في القوة الدافعة الكهربية أثناء التفريغ مع تيار مقنن (الشكل 3.2) له القفزة المميزة مع مزيد من التفريغ، يظل المجال المغناطيسي للبطارية ثابتًا حتى يتم تفريغ البطارية بالكامل. عند الشحن، يستمر التفاعل في خطوتين. يحدث ارتفاع الجهد والمجال الكهرومغناطيسي عندما تكون البطارية مشحونة بنسبة 30% تقريبًا (منحنى 1)، وفي هذه الحالة، يتم تغطية سطح القطب بأكسيد الفضة ثنائي التكافؤ.

أرز. 3.2 - المجال المغناطيسي للبطارية أثناء الشحن (1) والتفريغ (2)

في نهاية الشحنة، عندما تتوقف أكسدة الفضة من أحادي التكافؤ إلى ثنائي التكافؤ على كامل سمك القطب، يبدأ إطلاق الأكسجين وفقًا للمعادلة

أوه تسريح → 2H 2س+4ه+س 2

في هذه الحالة، يزداد القوة الدافعة الكهربية للبطارية بمقدار 0.2...0.3 فولت (انظر الشكل 5.1، القسم المنقط على المنحنى 1). يعمل الأكسجين المنطلق أثناء إعادة الشحن على تسريع عملية تدمير معلمات السيلوفان للبطارية وحدوث دوائر قصيرة داخلية.

أثناء عملية الشحن، يمكن تحويل كل أكسيد الزنك إلى معدن الزنك. عند إعادة الشحن، يتم استعادة أكسيد الزنك بالكهرباء، الموجود في مسام القطب، ثم في فواصل اللوحات السالبة، والتي تلعب دورها عدة طبقات من فيلم السيلوفان. يتم إطلاق الزنك على شكل بلورات تنمو باتجاه القطب الموجب، لتشكل تغصنات الزنك. يمكن لهذه البلورات أن تخترق أفلام السيلوفان وتسبب دوائر كهربائية قصيرة في الأقطاب الكهربائية. التشعبات الزنك لا تخضع لردود الفعل العكسية. لذلك، حتى الرسوم الزائدة على المدى القصير تشكل خطورة.

3.3 بطاريات النيكل والكادميوم

المادة الفعالة للقطب السالب في بطارية النيكل والكادميوم هي معدن الكادميوم. المنحل بالكهرباء الموجود في البطارية عبارة عن محلول مائي من البوتاسيوم الكاوي KOH بكثافة 1.18 ... 1.40 جم / سم 3 3.

تستخدم بطارية النيكل والكادميوم تفاعل الأكسدة والاختزال بين الكادميوم وهيدرات أكسيد النيكل:

2ني (أوه) 3→ القرص المضغوط (أوه) 2+ 2ني (أوه) 2

وبطريقة مبسطة، يمكن كتابة التفاعل الكيميائي عند الأقطاب الكهربائية على النحو التالي. على القطب السالب أثناء التفريغ تحدث أكسدة الكادميوم:

2ه → مؤتمر نزع السلاح ++

ترتبط أيونات الكادميوم مع أيونات الهيدروكسيل في القلويات لتشكل هيدرات الكادميوم:

2e + 2OH ˉ تسريح → القرص المضغوط (أوه) 2.

على القطب الموجب، أثناء التفريغ، يتم اختزال النيكل من ثلاثي التكافؤ إلى ثنائي التكافؤ:

2ني (أوه) 3+ 2ه تسريح → 2ني(أوه)2 + 2OH ˉ.

التبسيط هو أن تركيبة الهيدروكسيد لا تتوافق تمامًا مع صيغها. أملاح الكادميوم والنيكل قابلة للذوبان بشكل طفيف في الماء، وبالتالي فإن تركيز أيونات الكادميوم ++، ني ++، ني +++يتم تحديده من خلال تركيز KOH، الذي تعتمد عليه قيمة القوة الدافعة الكهربية للبطارية بشكل غير مباشر في المنحل بالكهرباء.

تبلغ القوة الدافعة الكهربائية للبطارية المشحونة حديثًا 1.45 فولت. وفي غضون أيام قليلة بعد انتهاء الشحن، ينخفض ​​المجال الكهرومغناطيسي إلى 1.36 فولت.

3.4 بطاريات النيكل والهيدروجين

ستجد بطاريات النيكل والهيدروجين القابلة لإعادة الشحن (HBAB)، التي تتمتع بموثوقية عالية وعمر خدمة طويل وطاقة محددة ومؤشرات أداء ممتازة، تطبيقًا واسعًا في المركبات الفضائية بدلاً من بطاريات النيكل والكادميوم.

لتشغيل LVAB في مدار أرضي منخفض (LEO)، يلزم توفير حوالي 30 ألف دورة على مدى خمس سنوات. يؤدي استخدام البطاريات في المدار الأرضي المنخفض بعمق تفريغ منخفض (DOD) إلى انخفاض مماثل في الطاقة النوعية المضمونة (يمكن تحقيق 30 ألف دورة بعمق تفريغ منخفض بنسبة 40%). أظهرت ثلاث سنوات من التدوير المستمر في وضع LEO عند GR = 30% من اثني عشر NVABs القياسية (RNH-30-1) بسعة 30 أمبير ساعة أن جميع NVABs تعمل بثبات لمدة 14600 دورة.

يبلغ المستوى المحقق من الطاقة النوعية لـ NVAB في ظروف المدار القريب من الأرض 40 واط ساعة/كجم عند عمق تفريغ 100%، والمورد عند 30% GR هو 30 ألف دورة.

4/ اختيار المعلمات للألواح الشمسية والتخزين العازل

البيانات الأولية:

الحد الأقصى للكتلة الفضائية - MP = ما يصل إلى 15 كجم؛

ارتفاع المدار الدائري هو h = 450 كم؛

كتلة النظام المستهدف لا تزيد عن 0.5 كجم؛

تردد الإرسال - 24 جيجا هرتز.

استهلاك الجهد - 3.3 - 3.6 فولت؛

الحد الأدنى لاستهلاك الطاقة لجهاز الإرسال والاستقبال هو 300 ميجاوات؛

استهلاك طاقة محرك أيون البلازما - 155 واط ؛

فترة الوجود النشط هي 2-3 سنوات.

4.1 حساب معلمات التخزين المؤقت

يتم حساب معلمات جهاز التخزين المؤقت (BN) من البطاريات القابلة لإعادة الشحن وتحديد تركيبتها بناءً على القيود المفروضة على البطاريات من حيث تيارات الشحن والتفريغ، وقدرة التفريغ المتكاملة، وأعماق التفريغ الفردية، والموثوقية، ودرجة حرارة التشغيل الظروف، الخ.

عند حساب معلمات بطاريات النيكل والهيدروجين، سنستخدم الخصائص والصيغ التالية [مؤلفو "تصميم المركبات الفضائية الأوتوماتيكية": D.I. كوزلوف، ج.ن. أنشاكوف ، ف. أغاركوف، يو.جي. Antonov § 7.5]، بالإضافة إلى الخصائص التقنية لمصدر AB HB-50 NIAI، والتي تم أخذ المعلومات عنها من الموقع [#"justify">تبلغ القوة الدافعة الكهربائية للبطارية المشحونة حديثًا 1.45 فولت. في غضون أيام قليلة بعد ذلك في نهاية الشحن، ينخفض ​​​​القوة الدافعة الكهربية حتى 1.36 فولت.

· تيار الشحن يصل إلى 30 أمبير ؛

· قوة التفريغ الحالية 12 - 50 أمبير في حالة ثابتة وما يصل إلى 120 أمبير في الوضع النبضي لمدة تصل إلى دقيقة واحدة؛

· الحد الأقصى لعمق التفريغ يصل إلى 54 أمبير؛

· عند تشغيل البطاريات (خاصة في أوضاع التدوير ذات تيارات الشحن والتفريغ العالية)، من الضروري التأكد من ظروف التشغيل الحرارية للبطاريات في نطاق 10...30 درجة مئوية. ولهذا الغرض، من الضروري توفير تركيب البطاريات في حجرة مغلقة من المركبة الفضائية وتوفير تبريد الهواء لكل وحدة.

الصيغ المستخدمة لحساب معلمات بطاريات النيكل والكادميوم:

يختلف جهد المصادر الكيميائية للكهرباء عن EMF بقيمة انخفاض الجهد في الدائرة الداخلية، والذي يتم تحديده من خلال المقاومة الداخلية الكلية والتيار المتدفق:

, (1)

, (2)

أين و - جهد التفريغ والشحن عند المصدر، على التوالي؛ و - قوة تيارات التفريغ والشحن على التوالي.

بالنسبة للخلايا الغلفانية ذات الاستخدام الواحد، يتم تعريف الجهد على أنه تفريغ .

سعة التفريغ Q (Ah) لمصدر كيميائي هي كمية الكهرباء التي يوفرها المصدر أثناء التفريغ عند درجة حرارة إلكتروليت معينة، والضغط المحيط، وتيار التفريغ، وجهد التفريغ النهائي:

, (3)

السعة المقدرة لمصدر التيار الكيميائي هي السعة التي يجب أن يوفرها المصدر في ظل ظروف التشغيل المحددة بواسطة الشروط الفنية. بالنسبة لبطاريات KA، غالبًا ما يتم اعتبار التيار الاسمي وتيار التفريغ على أنه تيار أوضاع تفريغ واحدة أو اثنتين أو 10 ساعات.

التفريغ الذاتي هو فقدان غير مفيد للقدرة بواسطة مصدر كيميائي عندما تكون الدائرة الخارجية مفتوحة. عادة، يتم التعبير عن التفريغ الذاتي كنسبة مئوية لكل يوم من التخزين:

(4)

أين و - حاويات المواد الكيميائية قبل وبعد التخزين؛ ت - مدة التخزين، أيام.

الطاقة المحددة لمصدر التيار الكيميائي هي نسبة الطاقة الموردة إلى كتلته:

(5)

لا تعتمد قيمة الطاقة المحددة على نوع المصدر فحسب، بل تعتمد أيضًا على قوة تيار التفريغ، أي. من السلطة المتخذة. ولذلك، فإن المصدر الكيميائي للكهرباء يتميز بشكل كامل باعتماد طاقة محددة على طاقة محددة.

حساب المعلمات:

دعونا نحدد الحد الأقصى والحد الأدنى لوقت التفريغ من الصيغة:

وبالتالي فإن الحد الأقصى لوقت التفريغ هو:

;

الحد الأدنى لوقت التفريغ:

.

ويترتب على ذلك أن وقت التفريغ يسمح للقمر الصناعي المصمم باستخدام التيار الكهربائي لمدة متوسطها 167 دقيقة أو 2.8 ساعة، وبما أن تركيبنا المستهدف يستخدم 89 مللي أمبير، فإن وقت التفريغ لن يكون كبيرًا، مما له تأثير إيجابي على توفير الكهرباء الحالي إلى الأنظمة الحيوية الأخرى عبر الأقمار الصناعية

دعونا نحدد جهد التفريغ والمقاومة الداخلية الإجمالية للبطارية من الصيغة:

; (1)

(2)

.

ومن هذا يمكن ملاحظة أنه يمكن توفير جهد الشحن بشكل كافٍ باستخدام الألواح الشمسية، حتى لو لم تكن مساحتها كبيرة.

يمكنك أيضًا تحديد التفريغ الذاتي باستخدام الصيغة:

(4)

لنأخذ وقت تشغيل البطارية T = 0.923 ساعة، Q 1= 50 (آه) و س 2 = 6 (آه) لمدة ثلاثين دقيقة من التشغيل:

,

أي أنه مع الحد الأدنى من استهلاك التيار البالغ 12 أمبير، سيتم تفريغ البطارية بنسبة 95% خلال 30 دقيقة مع وجود دائرة مفتوحة.

دعونا نجد الطاقة المحددة للمصدر الكيميائي باستخدام الصيغة:

,

أي أن 1 كجم من المصدر الكيميائي يمكن أن يوفر 61.2 وات لمدة ساعة، وهو مناسب أيضًا للتركيب المستهدف، والذي يعمل بقدرة قصوى تبلغ 370 ميجاوات.

4.2 حساب معلمات الألواح الشمسية

لحساب المعلمات الرئيسية لنظام الأمان الذي يؤثر على تصميم المركبة الفضائية وخصائصها التقنية، سنستخدم الصيغ التالية [مؤلفو "تصميم المركبة الفضائية الأوتوماتيكية": D.I. كوزلوف، ج.ن. أنشاكوف ، ف. أغاركوف، يو.جي. أنتونوف § 7.5]:

يتم تقليل حساب معلمات SB إلى تحديد مساحتها وكتلتها.

يتم حساب قوة SB باستخدام الصيغة:

(6)

أين - قوة بينالي الشارقة؛ ر ن - متوسط ​​قوة الحمل اليومية (دون مراعاة الاحتياجات الخاصة لـ SEP)؛ - وقت توجيه SB نحو الشمس لكل ثورة؛ ر ت - الوقت الذي لا تكون فيه SB مضاءة؛ - كفاءة منظم الطاقة الزائدة SB هي 0.85؛ - كفاءة منظم تفريغ BN تساوي 0.85؛ ر .3- كفاءة منظم الشحن BN تساوي 0.9؛ - كفاءة بطاريات BN هي 0.8.

يتم حساب مساحة البطارية الشمسية بالصيغة:

(7)

أين - القوة المحددة لـ SB المستلمة:

ث / م 2في = 60 درجة مئوية و 85 واط/م 2في = 110 درجة مئوية لمواد FEP KSP؛

ث / م 2في = 60 درجة مئوية و100 واط/م 2في = 110 درجة مئوية لمواد FEP؛

ث / م 2في = 60 درجة مئوية و 160 واط/م 2في = 110 درجة مئوية للمواد الكهروضوئية Ga - As؛ - عامل الأمان مع الأخذ في الاعتبار تدهور الخلايا الشمسية بسبب الإشعاع، ويساوي 1.2 لمدة تشغيل تتراوح من سنتين إلى ثلاث سنوات و1.4 لمدة تشغيل تبلغ خمس سنوات؛

عامل التعبئة المحسوب بواسطة الصيغة 1,12; - كفاءة SB = 0.97.

يتم تحديد كتلة SB بناءً على معلمات محددة. في تصميمات SB المتوفرة حاليًا، تكون الجاذبية النوعية = 2.77 كجم/م 2للسيليكون و = 4.5 كجم/م 2للخلايا الشمسية زرنيخيد الغاليوم.

يتم حساب كتلة SB باستخدام الصيغة:

(8)

للبدء في حساب نظام التوزيع العام، تحتاج إلى تحديد الألواح الشمسية. عند النظر في الألواح الشمسية المختلفة، وقع الاختيار على ما يلي: البطاريات الشمسية التابعة لمنظمة Saturn OJSC القائمة على محولات الصور GaAs ذات الخصائص التالية.

المعلمات الأساسية للSB

تعتمد معلمة SBSB على العمر النشط GaAs FPS، سنوات 15 الكفاءة عند درجة حرارة 28 درجة مئوية، %28 طاقة محددة، واط/م 2170الطاقة القصوى، ث/م 2381الثقل النوعي، كجم/م 2سمك 1.6FEP، μm150 ± 20

وأيضاً للحساب ستحتاج إلى معرفة الفترة المدارية للقمر الصناعي في مدار أرضي منخفض، المعلومات مأخوذة من الموقع:

· وفي المدى من 160 كم تبلغ الفترة المدارية حوالي 88 دقيقة؛

· حتى 2000 كم المدة حوالي 127 دقيقة.

للحساب، نأخذ القيمة المتوسطة - حوالي 100 دقيقة. وفي الوقت نفسه، يكون وقت إضاءة الألواح الشمسية للمركبة الفضائية في المدار أطول (حوالي 60 دقيقة) من الوقت الذي تكون فيه في الظل والذي يبلغ حوالي 40 دقيقة.

قوة التحميل يساوي مجموع الطاقة المطلوبة لنظام الدفع والمعدات المستهدفة وقوة الشحن ويساوي 220 واط (يتم أخذ القيمة مع زيادة قدرها 25 واط).

باستبدال جميع القيم المعروفة في الصيغة، نحصل على:

,

.

لتحديد مساحة لوحة SB، سنأخذ المادة الكهروضوئية Ga-As عند درجة حرارة التشغيل = 60 درجة مئوية، القمر الصناعي يعمل لمدة 2-3 سنوات ويستخدم الصيغة:

,

باستبدال البيانات الأصلية نحصل على:

وبعد إجراء الحسابات نحصل على

,

ولكن مع الأخذ بعين الاعتبار قلة شحن البطارية، واستخدام التقنيات الحديثة في تطوير الأنظمة الأخرى، ومع الأخذ في الاعتبار أيضًا حقيقة أن طاقة الحمل تم أخذها بهامش حوالي 25 واط، فمن الممكن تقليل مساحة نظام إمدادات الطاقة إلى 3.6 م2

مصادر الطاقة الكهربائية للمركبات الفضائية
البروفيسور لوكيانينكو ميخائيل فاسيليفيتش
رأس قسم أنظمة التحكم الآلي بجامعة سيبيريا الحكومية للفضاء يحمل اسم الأكاديمي م. ريشتنيوفا

تتطلب دراسة واستكشاف الفضاء الخارجي تطوير وإنشاء مركبات فضائية لأغراض مختلفة. حاليًا، تعد المركبات الفضائية الأوتوماتيكية غير المأهولة هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لتشكيل نظام عالمي للاتصالات والتلفزيون والملاحة والجيوديسيا، ونقل المعلومات، ودراسة الظروف الجوية والموارد الطبيعية للأرض، وكذلك استكشاف الفضاء السحيق. لإنشائها، من الضروري ضمان متطلبات صارمة للغاية لدقة اتجاه الجهاز في الفضاء وتصحيح المعلمات المدارية، وهذا يتطلب زيادة إمدادات الطاقة للمركبة الفضائية.
يعد نظام إمداد الطاقة أحد أهم الأنظمة الموجودة على متن أي مركبة فضائية، والتي تحدد في المقام الأول خصائص أدائها وموثوقيتها وعمر الخدمة وكفاءتها الاقتصادية. ولذلك، فإن مشاكل التطوير والبحث وإنشاء أنظمة إمداد الطاقة للمركبات الفضائية لها أهمية قصوى، وسيسمح حلها بالوصول إلى المستوى العالمي من حيث مؤشرات الكتلة المحددة والحياة النشطة.
على مدار العقد الماضي، بذلت الشركات الرائدة في العالم جهودًا لزيادة إمدادات الطاقة للمركبات الفضائية، مما يسمح، مع نفس القيود المفروضة على كتلة الأجهزة التي تفرضها شركات النقل الحالية، بزيادة قوة الحمولة بشكل مستمر. أصبحت هذه الإنجازات ممكنة بفضل الجهود التي بذلها مطورو جميع مكونات أنظمة إمداد الطاقة الموجودة على متن الطائرة، وقبل كل شيء، مصادر الطاقة.
المصادر الرئيسية للكهرباء للمركبات الفضائية حاليًا هي البطاريات الشمسية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن.
وصلت البطاريات الشمسية المزودة بمحولات الخلايا الكهروضوئية أحادية البلورية المصنوعة من السيليكون إلى الحد الأقصى المادي من حيث الخصائص الخاصة بالكتلة. من الممكن تحقيق المزيد من التقدم في تطوير الخلايا الشمسية باستخدام المحولات الكهروضوئية القائمة على مواد جديدة، على وجه الخصوص، زرنيخيد الغاليوم. يتم بالفعل استخدام المحولات الكهروضوئية ثلاثية المراحل المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم في المنصة الأمريكية HS-702، وفي Spasebus-400 الأوروبية، وما إلى ذلك، والتي ضاعفت طاقة البطارية الشمسية. على الرغم من ارتفاع تكلفة المحولات الكهروضوئية المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم، فإن استخدامها سيجعل من الممكن زيادة طاقة البطارية الشمسية بمقدار 2-3 مرات أو بنفس الطاقة تقليل مساحة البطارية الشمسية مقارنة لمحولات السيليكون الضوئية.
في ظل ظروف المدار الثابت بالنسبة للأرض، فإن استخدام المحولات الكهروضوئية المعتمدة على زرنيخيد الغاليوم يجعل من الممكن توفير طاقة محددة لبطارية شمسية تبلغ 302 وات/م2 في بداية التشغيل و230 وات/م2 في نهاية عمرها النشط (10). -15 سنة).
إن تطوير المحولات الكهروضوئية رباعية المراحل من زرنيخيد الغاليوم بكفاءة تبلغ حوالي 40٪ سيجعل من الممكن الحصول على كثافة طاقة للخلايا الشمسية تصل إلى 460 واط / م 2 في بداية التشغيل و 370 وات / م 2 في نهاية التشغيل. حياتها النشطة. في المستقبل القريب، ينبغي لنا أن نتوقع تحسنا كبيرا في الخصائص النوعية للكتلة من الخلايا الشمسية.
حاليًا، تُستخدم البطاريات المعتمدة على النظام الكهروكيميائي للنيكل والهيدروجين على نطاق واسع في المركبات الفضائية؛ ومع ذلك، فقد وصلت خصائص كتلة الطاقة لهذه البطاريات إلى الحد الأقصى (70-80 واط ساعة/كجم). إن إمكانية مواصلة تحسين الخصائص المحددة لبطاريات النيكل والهيدروجين محدودة للغاية وتتطلب تكاليف مالية كبيرة.
ولإنشاء تكنولوجيا فضائية تنافسية، كان من الضروري التحول إلى أنواع جديدة من مصادر الطاقة الكهروكيميائية المناسبة للاستخدام كجزء من نظام إمداد الطاقة للمركبات الفضائية الواعدة.
يقوم سوق تكنولوجيا الفضاء حاليًا بإدخال بطاريات الليثيوم أيون بنشاط. وذلك لأن بطاريات الليثيوم أيون تتمتع بكثافة طاقة أعلى مقارنة ببطاريات النيكل والهيدروجين.
الميزة الرئيسية لبطارية الليثيوم أيون هي انخفاض الوزن بسبب ارتفاع نسبة الطاقة إلى الوزن. تعد نسبة وزن الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون أعلى (125 وات/كجم) مقارنة بالحد الأقصى الذي تم تحقيقه لبطاريات النيكل والهيدروجين (80 وات/كجم).
المزايا الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون هي:
- تقليل وزن البطارية بسبب ارتفاع نسبة الطاقة إلى الوزن (تخفيض وزن البطارية يصل إلى 40% تقريبًا)؛
- توليد حرارة منخفضة وكفاءة عالية في استخدام الطاقة (دورة تفريغ الشحنة) مع تفريغ ذاتي منخفض جدًا، مما يضمن أبسط التحكم أثناء الإطلاق ونقل المدار والتشغيل العادي؛
- عملية تصنيع أكثر تقدمًا من الناحية التكنولوجية لبطاريات الليثيوم أيون مقارنة ببطاريات النيكل والهيدروجين، مما يسمح بتكرار جيد للخصائص والموثوقية العالية وخفض التكاليف.
وفقًا لخبراء من SAFT (فرنسا)، فإن استخدام بطاريات الليثيوم أيون على أقمار الاتصالات بقوة 15-20 كيلووات سيقلل كتلة البطاريات بمقدار 300 كجم (تكلفة وضع 1 كجم من الكتلة المفيدة في المدار ~ 30.000 دولار).
الخصائص الرئيسية لبطارية ليثيوم أيون VES140 (التي طورتها SAFT): السعة المضمونة 39 أمبير في الساعة، متوسط ​​الجهد 3.6 فولت، جهد نهاية الشحن 4.1 فولت، الطاقة 140 وات في الساعة، الطاقة المحددة 126 وات في الساعة/كجم، الوزن 1.11 كجم الارتفاع 250 ملم والقطر 54 ملم. بطارية VES140 مؤهلة للتطبيقات الفضائية.
في روسيا، قامت اليوم شركة OJSC Saturn (كراسنودار) بتطوير وتصنيع بطارية ليثيوم أيون LIGP-120. الخصائص الرئيسية لبطارية LIGP-120: السعة الاسمية 120 أمبير، متوسط ​​الجهد 3.64 فولت، الطاقة المحددة 160 وات/كجم، الوزن 2.95 كجم، الارتفاع 260 مم، العرض 104.6 مم، والعمق 44.1 مم. تتميز البطارية بشكل منشوري، مما يوفر مزايا كبيرة من حيث الطاقة الحجمية المحددة للبطارية مقارنة ببطاريات SAFT. ومن خلال تغيير الأبعاد الهندسية للقطب، يمكنك الحصول على بطارية ذات سعات مختلفة. يوفر هذا التصميم أعلى خصائص الحجم المحدد للبطارية ويسمح بتكوين البطارية، مما يضمن الظروف الحرارية المثالية.
تعد أنظمة إمداد الطاقة الحديثة للمركبات الفضائية عبارة عن مجمع معقد من مصادر الطاقة وأجهزة التحويل والتوزيع المدمجة في نظام التحكم الآلي والمصممة لتشغيل الأحمال الموجودة على متن الطائرة. مصادر الطاقة الثانوية عبارة عن مجمع لتحويل الطاقة يتكون من عدد معين من محولات الجهد النبضي المتطابقة التي تعمل تحت حمل مشترك. في النسخة التقليدية، يتم استخدام المحولات الكلاسيكية ذات الشكل المستطيل للتيار والجهد للعنصر الرئيسي والتحكم عبر تعديل عرض النبضة كمحولات جهد نبضي.
لتحسين المؤشرات الفنية والاقتصادية لنظام إمداد الطاقة للمركبات الفضائية، مثل كثافة الطاقة والكفاءة والسرعة والتوافق الكهرومغناطيسي، اقترحنا استخدام محولات الجهد شبه الرنانة. أجريت دراسات على أوضاع التشغيل لمحولي جهد من النوع التسلسلي شبه الرنانين متوازيين مع تبديل مفتاح إلكتروني عند قيم تيار صفرية وقانون التحكم في تردد النبض. وبناء على نتائج النمذجة ودراسة خصائص النماذج الأولية لمحولات الجهد شبه الرنانة تم التأكد من مميزات هذا النوع من المحولات.
تتيح لنا النتائج التي تم الحصول عليها أن نستنتج أن محولات الجهد شبه الرنانة المقترحة سوف تجد تطبيقًا واسعًا في أنظمة إمداد الطاقة للأنظمة الرقمية وأنظمة الاتصالات، والأجهزة، ومعدات العمليات، وأنظمة الأتمتة والميكانيكا عن بعد، وأنظمة الأمان، وما إلى ذلك.
المشاكل الحالية هي دراسة الخصائص الوظيفية لمصادر الطاقة الفضائية، وتطوير نماذجها الرياضية ودراسة الطاقة والأنظمة الديناميكية.
ولهذه الأغراض، قمنا بتطوير وتصنيع معدات فريدة لدراسة أنظمة إمداد الطاقة للمركبات الفضائية، والتي تتيح الاختبار الآلي لمصادر الطاقة على متن المركبة (البطاريات الشمسية والقابلة لإعادة الشحن) وأنظمة إمداد الطاقة بشكل عام.
بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير وتصنيع محطة عمل آلية لدراسة ظروف الطاقة الحرارية لبطاريات الليثيوم أيون ووحدات البطاريات ومجمع أجهزة لدراسة الطاقة والخصائص الديناميكية للخلايا الشمسية زرنيخيد الغاليوم.
أحد الجوانب المهمة في العمل هو أيضًا إنشاء وبحث مصادر بديلة للكهرباء للمركبات الفضائية. لقد أجرينا بحثًا على جهاز تخزين طاقة دولاب الموازنة، وهو عبارة عن دولاب الموازنة الفائق المدمج مع آلة كهربائية. تتمتع دولاب الموازنة التي تدور في الفراغ على دعامات مغناطيسية بكفاءة تبلغ 100%. يتميز جهاز تخزين الطاقة ذو دولاب الموازنة ثنائي الدوار بخاصية تجعل من الممكن تحقيق اتجاه زاوي ثلاثي المحاور. في هذه الحالة، يمكن استبعاد جيروسكوب الطاقة (الجيرودين)، كنظام فرعي منفصل مستقل، أي. يجمع جهاز تخزين الطاقة دولاب الموازنة بين وظائف جهاز تخزين الطاقة وجيروسكوب الطاقة.
تم إجراء أبحاث على أنظمة الحبل الكهروديناميكي كمصدر للكهرباء للمركبة الفضائية. حتى الآن، تم تطوير نموذج رياضي لنظام الكابلات الكهروديناميكية لحساب الطاقة القصوى؛ وتم تحديد مدى اعتماد خصائص الطاقة على البارامترات المدارية وطول الحبل؛ تم تطوير منهجية لتحديد معلمات نظام الكابلات الذي يضمن توليد طاقة معينة؛ يتم تحديد المعلمات المدارية (الارتفاع والميل) التي يتم من خلالها تحقيق الاستخدام الأكثر كفاءة لأنظمة الربط في وضع توليد الطاقة؛ تم فحص قدرات نظام الكابل عند التشغيل في وضع الجر.

يتعلق الاختراع بمجال الطاقة الفضائية، ولا سيما أنظمة إمداد الطاقة على متن المركبات الفضائية (SC). وفقًا للاختراع، يتكون نظام إمداد الطاقة للمركبة الفضائية من بطارية شمسية، ومثبت الجهد، وبطارية قابلة لإعادة الشحن، ومنظم طاقة شديد، حيث يتم تصنيع مثبت الجهد للبطارية الشمسية وجهاز تفريغ البطارية في شكل محولات الجسر مع محول مشترك، بينما يتم توصيل مدخل الشاحن بملف الخرج للمحول، يتم توصيل أجهزة طاقة الحمل ذات تصنيفات جهد الخرج AC أو DC الخاصة بها بملفات الخرج الأخرى للمحول، وواحد يتم توصيل أجهزة طاقة الحمل بمثبت البطارية الشمسية وجهاز تفريغ البطارية. والنتيجة التقنية هي توسيع قدرات نظام إمداد الطاقة للمركبة الفضائية، وتحسين جودة جهد الخرج، وتقليل تكاليف التطوير والتصنيع، وتقليل وقت تطوير النظام. 1 مريض.

رسومات لبراءة الاختراع RF 2396666

يتعلق الاختراع الحالي بمجال الطاقة الفضائية، وبشكل أكثر تحديدًا بأنظمة إمداد الطاقة على متن المركبة الفضائية (SC).

أنظمة إمداد الطاقة للمركبات الفضائية معروفة على نطاق واسع، وتتكون من بطارية شمسية، وبطارية قابلة لإعادة الشحن، بالإضافة إلى مجموعة من المعدات الإلكترونية التي تضمن التشغيل المشترك لهذه المصادر لحمل المركبة الفضائية، وتحويل الجهد واستقراره.

الخصائص التكتيكية والفنية لـ SEP، وبالنسبة لتكنولوجيا الفضاء فإن أهمها القوة النوعية، أي. تعتمد نسبة الطاقة المولدة بواسطة نظام إمداد الطاقة إلى كتلتها (Pud=Psep/Msep) في المقام الأول على خصائص الكتلة المحددة لمصادر التيار المستخدمة، ولكن أيضًا إلى حد كبير على المخطط الهيكلي المعتمد لنظام التوزيع العام، والذي تم تشكيله من خلال مجمع المعدات الإلكترونية لنظام التوزيع العام الذي يحدد طرق استغلال المصادر وكفاءة استخدام إمكاناتها.

هناك أنظمة معروفة لتزويد الطاقة للمركبات الفضائية ذات مخططات هيكلية توفر ما يلي: تثبيت جهد التيار المستمر على الحمل (بدقة 0.5-1.0٪ من القيمة الاسمية)، وتثبيت الجهد على البطارية الشمسية، مما يضمن إزالة الطاقة منها بالقرب من خاصية الجهد الحالي لنقطة التشغيل المثالية (خصائص فولت أمبير)، كما تنفذ خوارزميات التحكم المثالية لأنماط تشغيل البطاريات القابلة لإعادة الشحن، مما يجعل من الممكن ضمان أعلى معلمات سعوية ممكنة أثناء ركوب البطاريات على المدى الطويل في المدار. كمثال على أنظمة إمداد الطاقة هذه، نقدم مشروع نظام إمداد الطاقة لمركبة فضائية للاتصالات الثابتة بالنسبة للأرض في المقالة A POWER، FOR A TELECOMMUNICATION SATELLITE. L.Croci, P.Galantini, C.Marana (وقائع مؤتمر الطاقة الفضائية الأوروبية الذي عقد في غراتس، النمسا، 23-27 أغسطس 1993 (ESA WPP-054، أغسطس 1993). نظام التوزيع العام المقترح بقدرة 5 كيلووات، مع جهد 42 فولت تبلغ كفاءة استخدام طاقة البطارية الشمسية 97%، وكفاءة استخدام قدرة البطارية 80% (في نهاية عمر خدمة المركبة الفضائية البالغ 15 عامًا).

يوفر المخطط الهيكلي لنظام التوزيع العام (PDS) تقسيم البطارية الشمسية إلى 16 قسمًا، يتم تنظيم كل منها بواسطة مثبت جهد التحويل الخاص بها، ويتم توصيل مخرجات الأقسام من خلال الثنائيات المنفصلة إلى ناقل مستقر مشترك، والذي يحافظ على 42 الخامس ± 1%. تحافظ مثبتات التحويل على جهد 42 فولت على أقسام البطارية الشمسية، ويتم تصميم البطارية الشمسية بحيث تتوافق نقطة التشغيل المثالية لخاصية الجهد الحالي مع هذا الجهد في نهاية 15 عامًا.

الغالبية العظمى من أنظمة إمدادات الطاقة الأجنبية وعدد من المركبات الفضائية المحلية، مثل، على سبيل المثال، HS-702، A-2100 (الولايات المتحدة الأمريكية)، Spacebus-3000، 4000 (أوروبا الغربية)، Sesat، "Express-AM"، "يامال" (روسيا)، الخ.

في مقال "مجمع الأدوات لأنظمة إمداد الطاقة عبر الأقمار الصناعية مع التنظيم الشديد لطاقة البطاريات الشمسية"، يقدم المؤلفون V.S. Kudryashov، M.V. Nesterishin، A.V. Zhikharev، V.O. Elman، A.S.، المجلد 47، أبريل 2004، العدد 4) وصفًا لـ يُظهر الرسم الهيكلي لنظام نقل الطاقة مع منظم طاقة البطارية الشمسية الشديد، تأثير هذا التنظيم على قمر الاتصالات الثابت بالنسبة للأرض "Express-A"، والذي وصل، وفقًا لنتائج قياسات الطيران، إلى زيادة بنسبة 5٪ في إخراج طاقة البطارية. وفقًا لمخطط منظم البطاريات الشمسية الشديد، يتم تصنيع أنظمة إمداد الطاقة للعديد من المركبات الفضائية المحلية، مثل المركبة الفضائية الثابتة بالنسبة للأرض "Gals"، و"Express"، و"Glonass-M" ذات المدار العالي، و"Gonets" ذات المدار المنخفض. ، إلخ.

على الرغم من الخصائص التكتيكية والفنية العالية التي حققتها المركبات الفضائية الحديثة، إلا أن لها عيبًا مشتركًا - فهي ليست عالمية، مما يحد من نطاق استخدامها.

من المعروف أنه لتشغيل معدات مختلفة لمركبة فضائية معينة، يلزم وجود عدة تقييمات لجهد الإمداد، من الوحدات إلى العشرات والمئات من الفولتات، بينما في نظام التوزيع العام المطبق يتم تشكيل ناقل طاقة تيار مستمر واحد بتصنيف واحد، على سبيل المثال ، 27 فولت، أو 40 فولت، أو 70 ب، أو 100 ب.

عند التبديل من تصنيف جهد إمداد أحد المعدات إلى آخر، من الضروري تطوير نظام جديد لإمداد الطاقة مع إعادة تصميم جذرية للمصادر الحالية - البطاريات الشمسية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن - مع توفير الوقت والتكاليف المالية المقابلة.

يؤثر هذا العيب بشكل خاص على إنشاء تعديلات جديدة للمركبة الفضائية بناءً على الإصدار الأساسي، وهو الاتجاه الرئيسي في هندسة المركبات الفضائية الحديثة.

عيب آخر للأنظمة هو انخفاض مستوى الضجيج لدى مستهلكي الكهرباء على متن المركبة الفضائية. ويفسر ذلك وجود اتصال كلفاني بين حافلات طاقة المعدات ومصادر التيار. لذلك، أثناء تقلبات الحمل المفاجئة، على سبيل المثال، عند تشغيل المستهلكين الفرديين أو إيقاف تشغيلهم، تحدث تقلبات الجهد في ناقل الإخراج المشترك لنظام إمداد الطاقة، ما يسمى. العمليات العابرة الناجمة عن ارتفاع الجهد على المقاومة الداخلية للمصادر الحالية.

تم اقتراح نظام إمداد الطاقة بمخطط هيكلي جديد، مما يلغي العيوب المذكورة أعلاه لأنظمة إمداد الطاقة المعروفة للمركبات الفضائية.

الحل التقني الأقرب للحل المقترح هو نظام إمداد الطاقة للمركبات الفضائية المستقلة وفقًا لبراءة الاختراع RF رقم 2297706، والذي تم اختياره كنموذج أولي.

النموذج الأولي له نفس عيوب النظائر التي تمت مناقشتها أعلاه.

الهدف من الاختراع المقترح هو توسيع قدرات نظام إمداد الطاقة للمركبات الفضائية، وتحسين جودة جهد الخرج، وتقليل تكاليف التطوير والتصنيع، وتقليل وقت تطوير النظام.

يتم توضيح جوهر الاختراع المطالب به من خلال الرسم.

يتكون نظام إمداد الطاقة من بطارية شمسية 1، بطارية 2، مثبت جهد البطارية الشمسية 3، جهاز تفريغ البطارية 4، شاحن بطارية 5، منظم طاقة البطارية الشمسية الشديدة 6، متصل بواسطة مدخلاته بأجهزة التفريغ 4 و شاحن 5، وحساس تيار البطارية الشمسية 7، ويكون الخرج مع مثبت جهد البطارية الشمسية 3.

المثبت 3 وجهاز التفريغ 4 مصنوعان على شكل محولات جسر. يتم تقديم أوصاف محولات الجسر هذه، على سبيل المثال، في المقالات: "محولات الجهد العالي التردد مع تبديل الرنين"، المؤلف A. V. Lukin (zh. ELECTROPOPITANIE، العدد 1 من المجموعة العلمية والتقنية، الذي حرره Yu.I. Konev. Association "إمدادات الطاقة"، م.، 1993)، سلسلة منظم تعزيز الجهد المتصل من أجل تنظيم جهد التيار المستمر عالي الكفاءة، المؤلف آرثر ج. بيرشينوف (مذكرة فنية لوكالة ناسا 2003-212514، مركز أبحاث لويس التابع لناسا، كليفلاند، أونتاريو)، بالإضافة إلى في المقالة مخطط الكتلة وحلول الدوائر لمجمعات الأتمتة والتثبيت في SEP من GEOSTATIONARY SC غير المختومة مع عزل GALVANICA للمعدات المحمولة على متن الطائرة من البطاريات الشمسية والبطاريات، المؤلفون Polyakov S.A., Chernyshev A.I., Elman V.O., Ku Dryashov V.S.، راجع "Electron" الأنظمة الإلكترونية والكهروميكانيكية والأجهزة: السبت. الأعمال العلمية لـ SPC "Polyus". - تومسك: MGP "RASKO" في دار النشر "الإذاعة والاتصالات"، 2001، 568 ص.

يتم توصيل ملفات الخرج 9، 10 للمثبت وجهاز التفريغ على التوالي بمحول مشترك 8 باعتباره اللفات الأولية. يتم توصيل البطارية الشمسية 1 إلى المثبت 3 بواسطة الناقلات الموجبة والسالبة، ويتم تركيب حساس التيار المذكور 7 في أحد الناقلات، ويتم توصيل البطارية 2 إلى جهاز التفريغ بواسطة الناقلات الموجبة والسالبة. يتم توصيل الشاحن 5 عن طريق إدخاله إلى الملف الثانوي 11 للمحول 8، وعن طريق إخراجه إلى الناقلات الموجبة والسالبة للبطارية 2.

يتم توصيل أجهزة الطاقة 13 من الأحمال 14 مع معدلات جهد خرج التيار المتردد الخاصة بها إلى الملفات الثانوية 12 للمحول 8، ويتم توصيل أجهزة الطاقة 16 من الأحمال 17 من التيار المستمر إلى الملفات الثانوية 15 من المحول 8 مع معدلات الجهد الخاصة بها، واحدة من يتم اختيار أجهزة الطاقة 18 من الأحمال 19 من التيار المستمر أو التيار المتردد، المتصلة بالملف الثانوي 20 للمحول 8، لتكون الجهاز الرئيسي، ويتم استخدامها لتثبيت الجهد على الملف الثانوي 20 للمحول 8. لهذا الغرض يتم توصيل الجهاز 18 عن طريق وصلات التغذية المرتدة بالمثبت 3 وجهاز التفريغ 4.

يتم ضمان تكوين جهد متناوب على ملف الخرج 9 للمثبت 3 من خلال دائرة التحكم 21 ، والتي وفقًا لقانون معين تفتح الترانزستورات 22 و 23 و 24 و 25 في أزواج على التوالي.

بطريقة مماثلة، يتم توليد جهد متناوب على ملف الخرج لجهاز 10 بت 4 بواسطة دائرة التحكم الخاصة به المكونة من 26 ترانزستور 27، 28 و29، 30، على التوالي.

منظم الطاقة القصوى 6، مع الأخذ في الاعتبار قراءات مستشعر التيار 7 والجهد على البطارية الشمسية 1، ينتج إشارة تصحيح لتغيير قانون فتح ترانزستورات المثبت 3 بحيث يتم إنشاء جهد على الطاقة الشمسية بطارية تساوي الجهد الأمثل لخاصية الجهد الحالي (خاصية IV) للبطارية الشمسية.

يعمل نظام إمداد الطاقة في الأوضاع الرئيسية التالية.

1. إمداد الأحمال بالطاقة من البطارية الشمسية.

عندما تتجاوز طاقة البطارية الشمسية إجمالي الطاقة التي تستهلكها الأحمال، فإن مثبت الجسر 3، باستخدام ردود فعل الجهاز 18 والمثبت 3، على الملف الثانوي 20 للمحول 8 يحافظ على جهد ثابت عند مستوى يضمن استقرار الجهد المطلوب على الحمل 19. وفي الوقت نفسه، في اللفات الثانوية 11، 12، 15 من المحولات تحافظ أيضًا على جهد متناوب ثابت، مع مراعاة نسب تحويل اللفات. البطارية 2 مشحونة بالكامل. يتم إيقاف تشغيل الشاحن 5 والتفريغ 4، ويتم إيقاف تشغيل المنظم الأقصى 6.

2. قم بشحن البطارية.

عندما يصبح من الضروري شحن البطارية، يقوم الشاحن 5 بتوليد إشارة لتشغيل الشحن وتوفيرها عن طريق تحويل التيار المتردد من الملف الثانوي 11 للمحول 8 إلى تيار مباشر لشحن البطارية. يتم أيضًا إرسال إشارة تشغيل الشاحن 5 إلى مدخل المنظم المتطرف 6، الذي يقوم بتشغيل المثبت 3 في وضع التحكم في الطاقة القصوى للبطارية الشمسية. يتم تحديد حجم تيار شحن البطارية من خلال الفرق بين قوة البطارية الشمسية عند نقطة التشغيل المثالية لخصائص الجهد الحالي والطاقة الإجمالية للأحمال. تم تعطيل جهاز التفريغ.

3. إمداد الطاقة بالحمل من البطارية.

يتشكل هذا الوضع عندما تدخل المركبة الفضائية في ظل الأرض أو القمر، أو في المواقف الشاذة المحتملة مع فقدان اتجاه الألواح الشمسية، أو عندما يتم إطلاق المركبة الفضائية في المدار عندما تكون الألواح الشمسية مطوية. خرج اللوحة الشمسية صفر ويتم تشغيل الحمل عن طريق تفريغ البطارية. في هذا الوضع، يتم توفير تثبيت الجهد على الملف الثانوي 20 للمحول 8 بواسطة جهاز تفريغ مشابه للوضع الأول، وذلك باستخدام التغذية المرتدة من الجهاز 18 إلى جهاز التفريغ، ويتم تعطيل المثبت 3 والمنظم الشديد 6 والشاحن 5.

4. يتم تشغيل الحمولة بشكل مشترك من بطارية شمسية وبطارية.

يتشكل الوضع عندما لا تكون هناك طاقة بطارية شمسية كافية لتزويد جميع المستهلكين المتصلين بالطاقة، على سبيل المثال، عند تشغيل الأحمال القصوى، أثناء مناورات المركبة الفضائية لتصحيح المدار، أثناء دخول المركبة الفضائية وخروجها من مناطق الظل في المدار، وما إلى ذلك.

في هذا الوضع، يتم تشغيل المثبت 3 بواسطة المنظم الأقصى 6، بعد إشارة من جهاز التفريغ 4، إلى وضع التحكم في الطاقة القصوى للبطارية الشمسية 1، وتتم إضافة الطاقة المفقودة لتشغيل الأحمال عن طريق تفريغ البطارية 2. يتم توفير تثبيت الجهد على الملف الثانوي 20 للمحول 8 بواسطة جهاز التفريغ 4 باستخدام التغذية المرتدة من الجهاز 18 إلى جهاز البت 4.

يعمل نظام إمداد الطاقة تلقائيًا بالكامل.

يتمتع نظام إمداد الطاقة للمركبة الفضائية المقترح بالمزايا التالية مقارنة بالأنظمة المعروفة:

يوفر عند الإخراج معدلات جهد التيار المستمر أو التيار المتردد المستقرة اللازمة لتشغيل مجموعة متنوعة من أحمال المركبات الفضائية، مما يوسع قدرات تطبيقه على المركبات الفضائية من مختلف الفئات أو عند ترقية الأجهزة الموجودة؛

جودة أعلى لجهد إمداد الأحمال بسبب انخفاض التداخل، لأن يتم عزل حافلات طاقة الحمل جلفانيًا (عبر محول) عن حافلات المصدر الحالية؛

يتم ضمان درجة عالية من توحيد النظام والقدرة على تكييفه مع ظروف الاستخدام المتغيرة على مختلف أنواع المركبات الفضائية أو تعديلاتها مع الحد الأدنى من التعديل من حيث حمل أجهزة الطاقة، دون التأثير على المكونات الأساسية للنظام (الطاقة الشمسية و بطاريات البطاريات، المثبت، أجهزة الشحن والتفريغ)،

يوفر إمكانية التصميم المستقل وتحسين المصادر الحالية عن طريق الجهد، واختيار الأحجام القياسية للبطاريات، ومولدات البطاريات الشمسية الفردية، وما إلى ذلك؛

يتم تقليل الوقت والتكاليف لتطوير وتصنيع نظام إمداد الطاقة.

حاليا في JSC "ISS" سميت باسم. تعمل شركة MF Reshetnev، بالتعاون مع عدد من الشركات ذات الصلة، على تطوير نظام إمداد الطاقة المقترح، ويجري تصنيع المكونات المخبرية الفردية للجهاز. حققت العينات الأولى من عاكس الجسر كفاءة 95-96.5%.

من المواد الإعلامية المتعلقة بالبراءات المعروفة لمودع الطلب، لم يتم العثور على مجموعة من الميزات المشابهة لمجموعة ميزات الكائن المطالب به.

مطالبة

نظام إمداد الطاقة للمركبة الفضائية، يتكون من بطارية شمسية متصلة بواسطة ناقليها الموجب والسالب بمثبت الجهد، بطارية قابلة لإعادة الشحن متصلة بواسطة ناقليها الموجب والسالب بمدخل ومخرج الشاحن، منظم طاقة شديد للبطارية الشمسية يتم توصيلها عن طريق مدخلاتها بحساس تيار مثبت في إحدى الناقلات بين البطارية الشمسية ومثبت الجهد وأجهزة التفريغ والشاحن الخاصة بالبطارية، والمخرج - مع مثبت جهد البطارية الشمسية، ويتميز بأن الجهد يتم تصنيع مثبت البطارية الشمسية وجهاز تفريغ البطارية على شكل محولات جسرية بمحول مشترك، وفي هذه الحالة، يتم توصيل مدخل الشاحن بملف إخراج المحول، وتحميل أجهزة الطاقة معها يتم توصيل تقييمات جهد الخرج AC أو DC الخاصة بملفات الخرج الأخرى للمحول، ويتم توصيل أحد أجهزة طاقة الحمل بمثبت البطارية الشمسية وجهاز تفريغ البطارية.

يتطلب تطوير تكنولوجيا الفضاء التنافسية الانتقال إلى أنواع جديدة من البطاريات التي تلبي متطلبات أنظمة إمداد الطاقة للمركبات الفضائية الواعدة.

تُستخدم المركبات الفضائية حاليًا لتنظيم أنظمة الاتصالات والملاحة والتلفزيون ودراسة الظروف الجوية والموارد الطبيعية للأرض واستكشاف الفضاء السحيق.

أحد الشروط الرئيسية لمثل هذه الأجهزة هو التوجيه الدقيق في الفضاء وتصحيح معلمات الحركة. وهذا يزيد بشكل كبير من متطلبات نظام إمداد الطاقة بالجهاز. إن مشاكل إمدادات الطاقة للمركبات الفضائية، وقبل كل شيء، التطورات الرامية إلى تحديد مصادر جديدة للكهرباء، لها أهمية قصوى على المستوى العالمي.

حاليًا، المصادر الرئيسية للكهرباء للمركبات الفضائية هي الطاقة الشمسية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن.

وصلت الألواح الشمسية إلى حدودها المادية من حيث أدائها. ومن الممكن إجراء مزيد من التحسين باستخدام مواد جديدة، وخاصة زرنيخيد الغاليوم. سيسمح لك ذلك بزيادة طاقة البطارية الشمسية بمقدار 2-3 مرات أو تقليل حجمها.

ومن بين البطاريات القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في المركبات الفضائية اليوم، تُستخدم بطاريات النيكل والهيدروجين على نطاق واسع. ومع ذلك، فقد وصلت خصائص كتلة الطاقة لهذه البطاريات إلى الحد الأقصى (70-80 واط ساعة/كجم). إن تحسينها الإضافي محدود للغاية ويتطلب بالإضافة إلى ذلك تكاليف مالية كبيرة.

وفي هذا الصدد، هناك حاليًا إدخال نشط لبطاريات الليثيوم أيون (LIB) في سوق تكنولوجيا الفضاء.

تعد خصائص بطاريات الليثيوم أيون أعلى بكثير مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى التي لها عمر خدمة مماثل وعدد دورات تفريغ الشحن. يمكن أن تصل الطاقة النوعية لبطاريات الليثيوم أيون إلى 130 وات/كجم أو أكثر، وتبلغ كفاءة الطاقة 95%.

والحقيقة المهمة هي أن بطاريات LIB ذات الحجم القياسي نفسه قادرة على العمل بأمان عندما تكون متصلة بالتوازي في مجموعات، وبالتالي ليس من الصعب تشكيل بطاريات ليثيوم أيون ذات سعات مختلفة.

أحد الاختلافات الرئيسية بين بطاريات LIBs وبطاريات النيكل والهيدروجين هو وجود وحدات أتمتة إلكترونية تراقب وتدير عملية تفريغ الشحنة. كما أنهم مسؤولون عن تسوية اختلال توازن الجهد في وحدات LIB الفردية، والتأكد من جمع وإعداد معلومات القياس عن بعد حول المعلمات الرئيسية للبطارية.

ولكن لا تزال الميزة الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون هي تقليل الوزن مقارنة بالبطاريات التقليدية. ووفقا للخبراء، فإن استخدام بطاريات الليثيوم أيون على أقمار الاتصالات بقدرة 15-20 كيلوواط سيقلل من وزن البطاريات بمقدار 300 كجم. وبالنظر إلى أن تكلفة وضع 1 كجم من الكتلة المفيدة في المدار تبلغ حوالي 30 ألف دولار، فإن ذلك سيقلل بشكل كبير من التكاليف المالية.

أحد المطورين الروس الرائدين لهذه البطاريات للمركبات الفضائية هو OJSC لإلكترونيات الطيران وأنظمة الاتصالات (AVEX)، وهي جزء من KRET. تضمن العملية التكنولوجية لتصنيع بطاريات الليثيوم أيون في المؤسسة موثوقية عالية وخفض التكاليف.

روستيخ
الشركة المساهمة "المهتمة بتقنيات الإلكترونيات الراديوية"
قامت شركة KRET بتطوير نوع جديد من البطاريات للعمل في الفضاء
يتطلب تطوير تكنولوجيا الفضاء التنافسية الانتقال إلى أنواع جديدة من البطاريات التي تلبي متطلبات أنظمة إمداد الطاقة للمركبات الفضائية الواعدة.
في الوقت الحاضر، تُستخدم المركبات الفضائية لتنظيم أنظمة الاتصالات والملاحة والتلفزيون ودراسة الظروف الجوية والموارد الطبيعية
الأرض واستكشاف واستكشاف الفضاء السحيق.
أحد الشروط الرئيسية لمثل هذه الأجهزة هو التوجيه الدقيق في الفضاء وتصحيح معلمات الحركة. وهذا يزيد بشكل كبير من متطلبات نظام إمداد الطاقة بالجهاز. إن مشاكل إمدادات الطاقة للمركبات الفضائية، وقبل كل شيء، التطورات الرامية إلى تحديد مصادر جديدة للكهرباء، لها أهمية قصوى على المستوى العالمي.
حاليًا، المصادر الرئيسية للكهرباء للمركبات الفضائية هي الطاقة الشمسية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن.
وصلت الألواح الشمسية إلى حدودها المادية من حيث أدائها. ومن الممكن إجراء مزيد من التحسين باستخدام مواد جديدة، وخاصة زرنيخيد الغاليوم. سيسمح لك ذلك بزيادة طاقة البطارية الشمسية بمقدار 2-3 مرات أو تقليل حجمها.
ومن بين البطاريات القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في المركبات الفضائية اليوم، تُستخدم بطاريات النيكل والهيدروجين على نطاق واسع. ومع ذلك، فقد وصلت خصائص كتلة الطاقة لهذه البطاريات إلى الحد الأقصى (70-80 واط ساعة/كجم). إن تحسينها الإضافي محدود للغاية ويتطلب بالإضافة إلى ذلك تكاليف مالية كبيرة.
وفي هذا الصدد، هناك حاليًا إدخال نشط لبطاريات الليثيوم أيون (LIB) في سوق تكنولوجيا الفضاء.
تعد خصائص بطاريات الليثيوم أيون أعلى بكثير مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى التي لها عمر خدمة مماثل وعدد دورات تفريغ الشحن. يمكن أن تصل الطاقة النوعية لبطاريات الليثيوم أيون إلى 130 وات/كجم أو أكثر، وتبلغ كفاءة الطاقة 95%.
والحقيقة المهمة هي أن بطاريات LIB ذات الحجم القياسي نفسه قادرة على العمل بأمان عندما تكون متصلة بالتوازي في مجموعات، وبالتالي ليس من الصعب تشكيل بطاريات ليثيوم أيون ذات سعات مختلفة.
أحد الاختلافات الرئيسية بين بطاريات LIBs وبطاريات النيكل والهيدروجين هو وجود وحدات أتمتة إلكترونية تراقب وتدير عملية تفريغ الشحنة. كما أنهم مسؤولون عن تسوية اختلال توازن الجهد في وحدات LIB الفردية، والتأكد من جمع وإعداد معلومات القياس عن بعد حول المعلمات الرئيسية للبطارية.
ولكن لا تزال الميزة الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون هي تقليل الوزن مقارنة بالبطاريات التقليدية. ووفقا للخبراء، فإن استخدام بطاريات الليثيوم أيون على أقمار الاتصالات بقدرة 15-20 كيلوواط سيقلل من وزن البطاريات بمقدار 300 كجم. وبالنظر إلى أن تكلفة وضع 1 كجم من الكتلة المفيدة في المدار تبلغ حوالي 30 ألف دولار، فإن ذلك سيقلل بشكل كبير من التكاليف المالية.
أحد المطورين الروس الرائدين لهذه البطاريات للمركبات الفضائية هو OJSC لإلكترونيات الطيران وأنظمة الاتصالات (AVEX)، وهي جزء من KRET. تضمن العملية التكنولوجية لتصنيع بطاريات الليثيوم أيون في المؤسسة موثوقية عالية وخفض التكاليف.