Какие технологии уже применяются в создании солнечных панелей для псевдоспутников?
1. Уже сегодня используются тонкопленочные солнечные элементы, такие как арсенид галлия (GaAs) или многопереходные ячейки. Их КПД достигает 30-40%, что значительно выше, чем у традиционных кремниевых панелей (15-22%). Например, компания Alta Devices разработала суперэффективные фотоэлементы для HAPS, которые применяются в проектах вроде Airbus Zephyr.
У таких панелей высокая удельная мощность (ватт на кг), что критично для легких конструкций псевдоспутников.
Солнечные панели интегрируются в крылья или корпус аппарата, часто используя гибкие тонкопленочные материалы. Это снижает вес и позволяет покрывать большие площади, как у Zephyr S с размахом крыльев 25 метров.
Материалы вроде полимеров или углеродного волокна обеспечивают прочность при минимальной массе.
2. Технология энергоаккумуляторов для ночных полетов (в нашем проекте мы также скоро анонсируем арктическую версию)
Солнечные панели заряжают литий-серные (Li-S) или литий-ионные аккумуляторы в течение дня. Например, в японском проекте HAWK30 от HAPSMobile используются такие батареи для поддержания полета ночью, когда солнечная энергия недоступна.
Li-S батареи легче и обладают большей плотностью энергии по сравнению с традиционными Li-Ion.
3. Технология отслеживания максимальной мощности (MPPT)
Применяются инверторы и системы MPPT для оптимизации работы панелей в условиях переменной освещенности (например, при облачности или низком солнце). Это стандартная технология в современных HAPS.
4. Интеграция с аэродинамикой
Панели монтируются так, чтобы не ухудшать аэродинамические свойства аппарата. Например, в PHASA-35 (британский псевдоспутник) солнечные элементы распределены по крылу равномерно, минимизируя сопротивление воздуха.
Технологии, которые нужны для дальнейшего развития
Повышение КПД солнечных элементов
Текущий предел многопереходных ячеек — около 50% в лабораторных условиях (например, тандемные технологии). Для массового применения в HAPS нужно довести КПД до 40-50% в реальных условиях при снижении стоимости производства. Перовскитные ячейки (КПД уже 25% в лаборатории) — перспективный кандидат, но их долговечность пока недостаточна.
Улучшение энергоемкости аккумуляторов
Современные батареи ограничивают длительность полетов в условиях полярной ночи или высоких широт, где солнца мало. Нужны аккумуляторы с плотностью энергии выше 500 Вт·ч/кг (у Li-S сейчас около 350-400 Вт·ч/кг). Твердотельные батареи или водородные топливные элементы могут стать решением.
Устойчивость к экстремальным условиям
На высоте 20 км температура падает до -70°C, а ультрафиолетовое излучение интенсивнее. Требуются панели, устойчивые к деградации от УФ и перепадам температур. Нынешние материалы частично решают проблему, но нужны более долговечные покрытия и герметики.
Снижение веса панелей
Даже тонкопленочные технологии пока добавляют вес, что ограничивает полезную нагрузку HAPS. Нужны ультратонкие материалы (толщиной в нанометры) с сохранением эффективности, например, на основе графена или новых композитов.
Автономная адаптация к освещению
Разработка систем, автоматически регулирующих угол наклона панелей или их конфигурацию в зависимости от положения солнца, повысит энергоэффективность. Сейчас это реализовано ограниченно из-за сложности и веса механизмов.
Экологичные и дешевые материалы
Производство GaAs дорого и использует редкие элементы. Нужны альтернативы вроде перовскитов или органических фотоэлементов, которые проще масштабировать и утилизировать.
Примеры из практики
Airbus Zephyr: Использует тонкопленочные GaAs-панели и Li-S батареи, обеспечивая полеты до 64 дней (рекорд 2022 года).
HAPSMobile HAWK30: Комбинирует солнечные панели с высокоэффективными аккумуляторами для 5G-связи, но пока ограничен длительностью полета из-за энергозатрат.
Уже применяемые технологии обеспечивают базовую функциональность HAPS, но для их широкого коммерческого использования нужны прорывы в КПД, весе и долговечности панелей, а также в системах хранения энергии.
