Солнце взойдет НИИ космических технологий - совсем "молодая" тусуровская структура: в октябре этого года ей исполнится всего год. НИИ уже создавался с богатым "приданым": его директор, Юрий Александрович Шиняков, выиграл три федеральных гранта: два по солнечной энергетике и один по разработке автоматизированной контрольно-испытательной аппаратуры на основе имитаторов солнечных и аккумуляторных батарей для испытаний бортовых систем электропитания космических аппаратов, а позже НИИ получил крупный государственных контракт по тематике ОАО "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева". Обо всем этом я узнала, беседуя с Юрием Александровичем в начале лета (см. №6 "РЭ" - "Все выше и выше"). Но тогда меня, прежде всего, заинтересовали не многомиллионные "космические" контракты НИИ, а всего одна фраза Юрия Александровича, которую он произнес кивая в сторону крыши малого корпуса: "Через год здесь мы разместим солнечные батареи и будем испытывать свою энергетическую установку". Мне так понравилась возникшая в голове картинка (тем более, солнце в этот день грело во всю сибирскую мощь), что я тут же решила: об этом надо написать отдельно. Задумано - сделано, я снова в НИИ космических технологий ТУСУРа. И первый вопрос Юрию Александровичу Шинякову был, с моей точки зрения, вполне логичным:

- Солнечные батареи - что-то далековато это от космической тематики...

- Солнечная энергетика активно развивается для наземных условий, но, в принципе, зародилась она для нужд космоса: более 90 процентов всех космических аппаратов работают с использованием солнечной энергии.

Работая в НПЦ "Полюс", я долго занимался этим направлением, совершенствование солнечных фотоэлектрических систем электропитания космических аппаратов стало темой моей кандидатской и докторской диссертаций. Так вот, чтобы пробиваться "наверх" - в космос, нужно начинать с земли: технические требования для оборудования космических летательных аппаратов гораздо выше, чем для "земных" энергетических установок. Если что-то выйдет из строя на космическом аппарате, даже диагностировать поломку трудно, не то что устранить. ТУСУР пока не готов создавать приборы такого уровня сложности: у вуза нет подготовки в части технологии изготовления оборудования, контрольно-испытательной базы, технической документации и т.д. Поэтому, используя свой научный "задел" и разработки 14-го отдела НИИ АЭМ, которым руководит Вадим Николаевич Мишин (здесь разрабатывается и изготавливается автоматизированная контрольно-испытательная аппаратура на основе имитаторов солнечных и аккумуляторных), я написал две заявки на участие в федеральной целевой программе по тематике "Новые и возобновляемые источники энергии". Мы выиграли, получили два контракта. Они, в принципе, однотипные, для их выполнения создается одна и так же фотоэлектрическая энергетическая установка. [Достает лист бумаги и ручку, рисует два квадратика] В НИИ ПП мы уже купили две панели солнечных батарей номинальной выходной мощностью 160 Вт каждая [проводит линии], они параллельно соединяются, купили две аккумуляторные батареи емкостью 160A/ч каждая, они соединяются последовательно и инвертор с выходной мощностью 1500 Вт. Наша задача [чертит квадратик поменьше] - разработать и изготовить контроллер заряда-разряда этих батарей с реализацией функции экстремального регулирования мощности солнечной батареи. Этот контроллер будет преобразовывать [еще один квадратик] солнечную энергию и направлять ее в аккумуляторные батареи и инвертор, на выходе мы получим нужные 220 Вольт, 50 Гц. Наш контроллер позволит в итоге создать установку с максимально возможной энергетической эффективностью.

[Видимо, мой взгляд, уткнувшийся в скопление "квадратиков" структурной схемы, не выдавал должной умственной работы, поэтому Юрий Александрович продолжил]

Вот Солнце светит на батарею, кажется, что все просто: забирай и пользуйся. Но характеристики у батареи - плавающие [чертит систему координат и изогнутую линию] и меняются очень сильно. В зависимости от температуры мощность установки может очень сильно меняться. Летом стоит жара, и нагрев батареи может достигать 60-70 градусов. Весной солнце яркое, но температура - минус 15. Так вот, мы должны создать прибор, позволяющий "снимать" как можно больше энергии в зависимости от окружающей обстановки. Для этого нужно поймать вот эту точку [показывает на верхушку линии], чтобы летом батарею регулировать в одном диапазоне напряжения, а весной или зимой - в другом. Похожие контроллеры используются на космических аппаратах. Я был одним из создателей этих систем. Но в космосе с такими энергетическими системами электропитания работать проще: ориентация солнечных батарей осуществляется специальным бортовым оборудованием, оно разворачивает их "лицом" к Солнцу, да и температура солнечных батарей более стабильная.

- А насколько примерно повысится эффективность наземных солнечных батарей, если в систему будет включен ваш контроллер мощности?

- Теоретически - до 30 процентов и выше, практически - проверим позже. Техническая реализация этого устройства с точки зрения схемотехники - не совсем проста, но физически экстремальный регулятор практически не увеличивает массу регулирующей аппаратуры, имеет незначительное энергопотребление и обеспечивает работу не в одной стабильной точке вольт-амперной характеристики, а осуществляет непрерывный поиск точки максимума отдачи мощности.

- Второй ваш "солнечный" контракт тоже направлен на повышение энергетической эффективности?

- Да, и тут мы еще ближе к космосу, реализуем на практике функцию слежения за солнцем. Если солнце на батарею падает под прямым углом (90 градусов), то с нее можно снять максимальное значение энергии. Чем больше угол падения солнечных лучей на поверхность солнечной батареи отличается от угла 90 градусов, тем меньше энергии "отдает" солнечная батарея.

Наша задача - сориентировать батарею на максимально "эффективное" по отношению к Солнцу положение. Такие системы создаются во всем мире. Наша цель - к системе с котроллером по поиску максимума мощности добавить два электропривода с шаговыми двигателями, чтобы управлять положением солнечных панелей по двум координатам (азимуту и углу места). Это даст "прибавку" еще в 50 процентов мощности. В итоге батарея сможет выдавать энергию до 98 процентов от своих максимальных возможностей. "Шаговый" принцип объединяет эти два проекта. "Шагами" контроллер ищет максимальный уровень отдачи энергии.

В наших планах - предложить часть своих разработок для нужд военных. Мы подали заявку проекта на создание мобильных перевозимых солнечных энергетических установок в Министерство обороны. Если ее одобрят, работа предстоит сложная: надо будет создать унифицированный ряд высокоэффективных энергетических установок с максимально легкими солнечными батареями, расположенными на механических системах, выполненных из легких и прочных материалов. Такие энергетические установки должны обеспечивать питание различной радиоэлектронной аппаратуры, бесшумность и простоту в использовании (никаких шумных дизель-генераторов).

Еще есть одно направление для дальнейших исследований возможностей солнечной энергетики. Чем Земля отличается от космоса? В космосе нет облаков и более стабильный температурный режим фотоэлектрических панелей на освещенном участке траектории полета. А на Земле рабочий диапазон изменения температуры от минус 30-40 до плюс 60-70 (градусов Цельсия °С). Период освещения поверхности зимой и летом разный. Если солнце закрывают даже небольшие облачка, освещенность солнечной батареи падает в 10 раз. То есть вместо ожидаемого 1 киловатта на квадратный метр площади "падает" 100 ватт. А сейчас даже "хорошая" солнечная батарея выдает 15-16 процентов от падающей на нее энергии. Что получим в ситуации с облаками? Посчитать несложно. Стоит задача получения энергии солнца и при облачной погоде: лишь бы светло было. Для нашего региона, когда облачность - явление нередкое, эта проблема становится серьезной. Ее решение может стать еще одним направлением деятельности НИИ космических технологий. Мы уже сейчас просчитываем возможность получать энергию солнца и при облачной погоде: лишь бы свет был.

- Для этого вам придется создавать совершенно новую солнечную батарею?

- Не создавать, а использовать другие перспективные солнечные батареи. Работы в этом направлении уже ведутся учеными из разных стран, создаются новые материалы. Мы хотим пойти по пути использования линз Френеля, собирать свет и направлять его на фотоэлемент гораздо меньшей площади.

- По-Вашему, в Сибири, где солнца мало, а нефти и атомных электростанций много, развитие солнечной энергетики целесообразно?

- В России очень мощное атомное и нефтегазовое лобби. В Китае, Германии, на Тайване и в других странах сейчас активно выполняются мощные программы по развитию солнечной энергетики. После аварии на Фукусиме там всерьез задумались об угрозе атома. Атомные электростанции при этом - не самый дешевый способ получения энергии. Если посчитать, во сколько обходится утилизация отходов... Гидростанции вроде бы безопаснее, но сколько будет стоить нашему государству устранение аварии на Саяно-Шушенской ГЭС? Если бы хоть часть этих денег пошла на развитие солнечной энергетики... Пока у нас есть нефть и газ, мы будем получать крохи на исследования и совершенствование солнечных энергетических систем. Реально выйти на мировой уровень с таким уровнем финансирования просто невозможно.

- Будем дальше жечь нефть?.. Но вернемся к вашей работе. И когда на крыше малого корпуса заблестят фотоэлектрические панели солнечных батарей?

- На сегодня завершен этап проектирования, мы приступили к этапу изготовления контроллера заряда-разряда аккумуляторных батарей с функцией экстремального регулирования мощности солнечной батареи, изготовления системы автоматического шагового управления энергетической установкой для обеспечения ориентации солнечной батареи на Солнце и изготовления двухкоординатной механической системы перемещения солнечной батареи. Нам предстоит объединить названные разрабатываемые устройства с покупными изделиями в единую систему и провести экспериментальные исследования. В своей работе творческий коллектив использует накопленный опыт и имеющийся задел. Например, используем опыт разработки двухкоординатного микропроцессорного электропривода с шаговыми двигателями 11-го отдела НИИ АЭМ (руководитель В.В. Аржанов). Над общей задачей трудятся наши студенты и аспиранты, один магистрант недавно защитился по "солнечной" тематике. [На компьютере открывает текст отчета по выполненной работе, показывает схему] Вот так будет выглядеть наша установка. По плану она должна быть установлена для испытаний на крыше малого корпуса летом 2012 года.

- Было бы, скажем так, "вдохновеннее" работать, если бы Вы знали, что через несколько лет ваша установка появится чуть ли не в каждом доме?

- Использовать нашу установку для энергопитания домов - пока маловероятно. Наш контроллер с регулированием максимума мощности, я считаю, будет востребован быстрее. Он может встраиваться в любую фотоэлектрическую энергетическую систему. В Томской области начинается программа развития альтернативной энергетики - обеспечение электроэнергией удаленных поселков от ветросолнечных электростанций. В администрации посчитали, что это будет дешевле, чем строить новые ЛЭП или возить топливо для дизельных станций. Конечно же, использование солнечных батарей актуально больше для малозаселенных труднодоступных районов. Наш контроллер поиска максимума мощности, я считаю, будет востребован и в небольших поселках. А вот система слежения за солнцем - "дорогое удовольствие", скорее всего, она найдет применение на специальных энергетических станциях.

В конце разговора мы с Юрием Александровичем еще раз "прошлись по срокам" - будущей весной пройдут первые испытания установки, летом панели батарей, контроллер и шаговые двигатели "пропишутся" на крыше малого корпуса ТУСУРа, завершится отладка оборудования, а в ноябре состоится сдача проекта. Что же, да будет свет!