Разработка РКС выводит Россию в мировые лидеры по надежности космических солнечных батарей

Холдинг «Российские космические системы» (РКС, входит в состав Госкорпорации «Роскосмос») завершил создание модернизированной системы электрической защиты для солнечных батарей отечественного производства. Ее применение позволит существенно продлить срок работы источников питания космических аппаратов и сделает российские солнечные батареи одними из самых энергоэффективных в мире. 

Основу системы защиты солнечной батареи составляют диоды – небольшие устройства, устанавливаемые на каждый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), из которых состоит солнечная батарея. Диоды являются одним из ключевых элементов, от качества которых зависит ее энергоэффективность и срок активного существования. 

ФЭП расположены цепочками, которые называют «стринг». Когда солнечная батарея частично или полностью попадает в тень, ФЭП вместо подачи тока на аккумуляторы начинают его потребление. Чтобы этого не происходило, на каждом ФЭП устанавливается шунтирующий диод, а на каждый «стринг» – блокирующий диод. Аналогичным образом диоды действуют, когда со временем под воздействием дестабилизирующих факторов космического пространства отдельные ФЭП или «стринг» выходят из строя – такие элементы просто отсекаются, не затрагивая рабочие ФЭП и другие «стринги» соответственно. 

Руководитель участка физико-термических процессов цеха полупроводниковых изделий РКС Алексей АНУРОВ: «РКС почти 20 лет назад первой в России начала создавать защитные диоды и ведет их постоянную модернизацию – в минувшем году мы завершили разработку нового поколения этих изделий. По своим электрическим, массо-габаритным и надежностным характеристикам они находятся на уровне лучших мировых аналогов, а по ряду параметров опережают их. При этом стоимость российских диодов более чем в два раза ниже».

В конструкции новых диодов использованы запатентованные технические решения, которые существенно улучшают их эксплуатационные характеристики и повышают надежность. Так, применение специально разработанной многослойной диэлектрической изоляции кристалла позволяет диоду выдерживать обратное напряжение до 1,1 кВ. Благодаря этому новое поколение защитных диодов может использоваться с самыми эффективными из существующих ФЭП.

Для повышения надежности и срока службы диодов в РКС создали новые многослойные коммутирующие шины диодов на основе молибдена, благодаря которым диоды выдерживают более 700 термоударов, когда температура за несколько минут изменяется более чем на 300 градусов Цельсия. Еще одним нововведением стало нанесение специального защитного покрытия на все металлические детали диода, что предотвращает окисление поверхности при контакте с агрессивными средами. Это также позволило увеличить срок складского хранения устройства с года до пяти лет.

Старший научный сотрудник сектора разработки технологий РКС Павел ДИДЫК: «Благодаря инновационным конструкторским решениям срок активного существования солнечной батареи космического аппарата, оснащенной новыми диодами, увеличился до 15,5 лет. Еще 5 лет диод может храниться на Земле. Таким образом, общий гарантийный срок эксплуатации диодов нового поколения составляет 20,5 лет. Высокая надежность устройства подтверждена независимыми ресурсными испытаниями, в ходе которых диоды выдержали более семи тысяч термоциклов».

В СССР на солнечных батареях использовались только блокирующие диоды, что вело к быстрой деградации солнечных батарей. В 1990-е годы при создании отечественных космических аппаратов широко применялись ФЭП иностранного производства, которые закупались в сборе с диодами. 

Руководитель группы разработчиков защитных диодов Андрей БАСОВСКИЙ: «Впервые российские шунтирующие диоды были созданы в ходе совместной работы специалистов РКС и АО «НПП «Квант» при создании солнечных батарей для Международной космической станции. С тех пор РКС остается ключевым поставщиком диодов для солнечных батарей отечественного производства. Опыт эксплуатации продемонстрировал, что применение нашей системы электрической защиты снижает деградацию солнечных батарей примерно в 10 раз». 

Стандартный размер ФЭП составляет 25 на 50 мм, а площадь солнечных батарей может достигать 100 кв. м., поэтому потребность производителей солнечных батарей в диодах составляет десятки тысяч штук в год. Отработанная групповая технология производства позволяет РКС выпускать более 15 тысяч диодов нового поколения в год. Их поставки планируется начать уже в 2017 году.