CÉLULAS SOLARES para Aplicaciones Espaciales

Desde el comienzo de la industria espacial, la mayoría de los satélites y naves espaciales usan la energía solar fotovoltaica como fuente principal de alimentación para hacer funcionar los sensores, telemetría, calentamiento, sistemas de refrigeración, etc. e incluso en algunos casos llega a utilizarse para la propulsión de la propia nave espacial.

En esta primera etapa, se probó que las células solares de silicio eran adecuadas para su uso en aplicaciones espaciales, a pesar de sus propias limitaciones. Las células de silicio generalmente tienen menores eficiencias y mayores daños significativos por radiación que otros materiales nuevos.

Celdas GaAs de triple unión III-V de diferentes tamaños.

El nuevo siglo trajo al espacio un nuevo tipo de células con mayores eficiencias y una mejor resistencia al daño por radiación, como las basadas en una unión de GaAs. Este nuevo material abrió la posibilidad de una mejora adicional mediante el desarrollo de las tecnologías de múltiples uniones.

La tecnología de triple unión, donde las capas GaInP / GaAs / Ge se crecen sobre un sustrato de germanio, ofrecen una eficiencia en el entorno del 30%. Actualmente, ésta es la estructura de célula más utilizada para aplicaciones espaciales. Estructuras celulares más avanzadas con 4, 5 o 6 uniones están alcanzando incluso eficiencias superiores al 40%.

Por otro lado, para aplicaciones espaciales, se requiere que los paneles solares tengan más potencia de salida y menos peso y volumen. Para cumplir con estos requisitos, es necesario el logro simultáneo de la mejora de la eficiencia y la reducción de peso de las células solares.

Multi-unión III-V GaAs: mejor uso del espectro solar y la estructura.

Los esfuerzos de I + D no sólo se centran en los materiales III-V. Algunos importantes grupos de investigación están trabajando con nuevos materiales como las perovskitas híbridas. Las células solares de Perovskitas tienen el potencial de convertirse en una tecnología disruptiva en aplicaciones espaciales, gracias a la combinación única de atractivas propiedades intrínsecas (por ejemplo, alta potencia específica, una ventana de absorción fácilmente sintonizable) y nuevas posibilidades de proceso. Las células solares CdTe también son un desarrollo novedoso de una célula de película delgada para uso espacial, que ofrecería una alternativa al mayor costo de fabricación de la célula solar III-V. El principal potencial de esta tecnología es el alto rendimiento combinado con películas delgadas de bajo peso y flexibles.

Las características más importantes que los paneles fotovoltaicos deben cumplir para las aplicaciones espaciales son:
• Alta potencia específica (W / kg).
• Volumen reducido de plegado (alta potencia por volumen de unidad W / m3).
• Alta fiabilidad. La tasa de éxito debe ser del 100% ya que no hay posibilidad de reparación una vez que la misión está en vuelo.
• Paneles capaces de trabajar en condiciones de temperaturas extremas

La eficiencia del panel solar debe conocerse tanto al comienzo de la misión como al final de esta. Esta potencia generada al final de la vida se ve afectada por los siguientes factores::
• Daños por radiación: pérdida de la potencia después de incidencia de partículas ionizantes (como, por ejemplo, electrones).
• Pérdidas debido a degradación por temperatura.
• Pérdidas de energía debidas a la degradación UV.
• Micro-meteoritos (fallos aleatorias).
• Contaminación superficial.

Por lo tanto, el rendimiento debe calcularse teniendo en cuenta los diferentes parámetros correlacionados con las pérdidas esperadas y los fallos aleatorias que puedan ocurrir.
La fiabilidad de los dispositivos fotovoltaicos es también, un factor clave en aplicaciones para espacio. Por esta razón, las pruebas climáticas en tierra tienen que ser representativas de las condiciones que sufren los módulos solares en órbita. Los ensayos de fiabilidad juegan un papel clave en el diseño de los módulos solares en las tecnologías presentes y futuras. Para los paneles solares de espacio estándar se requiere la aplicación de normas para la calificación, adquisición, almacenamiento y entrega para las diferentes misiones espaciales.

El estándar por el cual se regula el proceso de calificación espacial en Europa fue desarrollado en 1993 por ECSS (Cooperación Europea para la Normalización del Espacio). Entre otros, los estándares que se aplican a los productos fotovoltáicos son:

Otras organizaciones con estándares específicos para Space Solar Panels son:

American Institute of Aeronautics (AIAA)Instituto Americano de Aeronáutica (AIAA)

• AIAA S-111 – Requisitos de calidad y calificación para celdas solares calificadas para uso espacial.
• AIAA S-112A – Requisitos de calidad y cualificación para componentes eléctricos en paneles solares espaciales.
  

International Organization for Standardization (Organización Internacional para la Estandarización)

• ISO-11221 – Sistemas espaciales – Paneles solares espaciales – Métodos de prueba de descargas electrostáticas inducidas por carga de naves espaciales.

Las principales pruebas de fiabilidad para ensamblado y componentes fotovoltáicos se detallan en ECSS-E-ST-20-08C. La tabla muestra algunas de las pruebas requeridas para un plan de prueba de calificación para células solares. Cada prueba se detalla en el método correspondiente.

Dos de los ensayos más importantes para calificación de módulos para espacio llevados a cabo por Alter Technology se describen a continuación:

Efecto de radiación de partículas ionizantes de células solares

La radiación de partículas produce los siguientes efectos:

• La ionización puede afectar al rendimiento del encapsulado.
• Generación de defectos puntuales en las células solares (como centros de recombinación adicionales, disminución de la longitud de difusión).

El flujo de radiación de partículas para una misión concreta, compuesto principalmente por electrones y protones, es convertido en una fluencia equivalente de electrones de 1MeV.
Las células solares o los módulos completos se someten a una fluencia de electrones de 1 MeV, típicamente utilizando aceleradores de electrones Van-der-Graff, a una velocidad típica igual o inferior a 5 × 1011 e-cm-2 s-1. (por ejemplo, el daño de una célula solar después de 15 años en órbita geoestacionaria (GEO) se simula con alrededor de 30 minutos de exposición de electrones). La exposición se realiza a temperatura ambiente, pero para misiones a alta temperatura (es decir, cercanas al sol) y misiones a baja temperatura (es decir, espacio profundo) también se puede ensayar la exposición de electrones a estas temperaturas extremas.

Alter Technology ha acumulado una importante experiencia, realizando más de 1000 campañas de pruebas de radiación durante más de 27 años para proyectos de la ESA, y programas espaciales comerciales para agencias espaciales de todo el mundo.

Prueba de cámara climática para módulos solares

La estabilidad del rendimiento de los módulos solares se verifica en las condiciones de operación más desfavorables para la duración de la misión con el margen requerido.

Se pueden seguir dos métodos para la definición de los ensayos climáticos:

Capacidades de modificación de prueba ambiental: quemaduras, prueba de vida, Hast entre otros

• Determinar la energía de activación, para un modo de fallo, midiendo el tiempo de fallo a varias temperaturas. Estas temperaturas deberán estar dentro del modo de fallo identificado y no exceder la temperatura máxima de la misión espacial, para evitar la activación de otros modos de fallo.
• Realizar una prueba ambiental significa someter al conjunto de paneles de células solares, a ciertas condiciones ambientales (frío, calor seco, humedad relativa, etc.) a fin de verificar si los parámetros eléctricos y de funcionamiento se mantienen dentro del rango definido por la normativa aplicable.

Alter Technology ofrece su experiencia en ensayos en una amplia gama de condiciones de prueba ambientales:

• Ciclos térmicos
• Ciclos Calor- húmedad
• Prueba de temperatura / humedad compuesta
• Vibración
• Vibración + Temperatura
• Impacto
• Radiación solar

Alter Technology posee acreditación ENAC para realizar pruebas ambientales (climáticas / mecánicas). Nuestro laboratorio es un organismo notificado para la Directiva EMC 2004/108 / EC. Es reconocido por NIST (EE. UU.) Y RRA (Corea del Sur) para pruebas de compatibilidad electromagnética y es una Autoridad de Pruebas Reconocida (RTA) por la Asociación Nacional de Autoridades de Pruebas (NATA) de Australia para EMC y pruebas de seguridad.

Aprovisionamiento de paneles y células solares espaciales

Nuestra experiencia técnica y comercial nos permite recomendar, seleccionar y suministrar células solares y todos los componentes de EEE para módulos solares en el espacio que provienen de fuentes fiables de fabricación. Todas las piezas adquiridas por nosotros se inspeccionan y ensayan completamente para garantizar que cumplen con los requisitos del contrato del proyecto / cliente. Esto nos permite confirmar el cumplimiento de:

• Requisitos de calidad y confiabilidad
• Limitaciones de costo / presupuesto
• Calendario de entregas

La selección y adquisición de los correctos módulos y/o células solares es esencial para satisfacer los hostiles requisitos ambientales, mecánicos y de radiación a los que se enfrentan en el espacio. Para lograr esto, se requiere un alto grado de experiencia en ingeniería y en otras disciplinas que cubren una amplia gama de componentes y tecnologías.