Caracterización y elaboración de dispositivos fotovoltaicos para uso espacial
2015
| Tesista | Hernán Pablo SOCOLOVSKY Ingeniero Electrónico - Universidad Tecnológica Nacional - FR Buenos Aires - Argentina Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Director | Dr. Juan PLÁ, CNEA, UNSAM - Argentina |
| Lugar de realización | Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 18/12/2015 |
| Jurado | Dr. Julio A. BRAGAGNOLO, UTN - Argentina Dr. Francisco Alberto RUBINELLI, UTN FR Paraná, CONICET - Argentina Dr. Javier Alejandro SCHMIDT, UNL, CONICET - Argentina |
| Código | IS/TD 96/15 |
Título completo
Caracterización y elaboración de dispositivos fotovoltaicos para uso espacial
Resumen
El Departamento Energía Solar (DES) de la Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina (CNEA) realiza actividades de investigación y desarrollo relacionadas con el aprovechamiento de la energía solar mediante conversión fotovoltaica para aplicaciones espaciales y terrestres. El desarrollo de dispositivos solares para satélites comenzó en 1995, en el marco de una colaboración entre la CNEA y la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE).
A partir de marzo de 2001, luego de la firma del primer convenio de cooperación específica entre la CNEA y la CONAE, el DES del Centro Atómico Constituyentes (CAC) se encuentra trabajando en el desarrollo de paneles solares para misiones satelitales previstas en el Plan Espacial Nacional. Este convenio, encuadrado dentro de la Ley Nº 23.877 de Promoción y Fomento a la Innovación Tecnológica, dio lugar a la iniciación en el CAC del Subproyecto Paneles Solares como parte de los Proyectos SAC-D y SAOCOM, para diseñar, fabricar y ensayar los paneles fotovoltaicos de ambas misiones a través de la firma de sucesivos contratos de asistencia tecnológica entre la CNEA y la CONAE. Las actividades previstas incluían, además del desarrollo de las tecnologías de fabricación y ensayo de los paneles, la elaboración de modelos teóricos que permitieran diseñar y simular el funcionamiento del sistema de generación de energía eléctrica (sistema de potencia) del satélite a lo largo de la vida útil de la misión.
La presente Tesis Doctoral fue realizada en el DES de la CNEA, en el marco de la colaboración institucional entre CNEA y CONAE mencionada anteriormente cuyo objetivo principal es el de contar en el país con técnicas específicas de diseño, simulación, fabricación, caracterización y ensayo de paneles solares para usos espaciales.
Las actividades realizadas dentro de la Tesis se centraron en la caracterización tanto eléctrica como electrónica de dispositivos fotovoltaicos para uso espacial. En particular se estudiaron las celdas solares multijuntura basadas en semiconductores III-V, el componente principal de los paneles solares para aplicaciones espaciales.
Como parte del estudio de las celdas solares multijuntura III-V, se presentan en este trabajo el desarrollo, la puesta en operación y los primeros resultados de un equipo para la medición de respuesta espectral de dichas celdas, las mismas utilizadas en los paneles solares de las misiones SAOCOM y SAC-D.
En el siguiente capítulo se presenta un análisis detallado sobre la caracterización I-V (tensión vs. corriente) de módulos fotovoltaicos integrados con estos dispositivos a través de la técnica denominada multiflash. Esta caracterización permite determinar experimentalmente la potencia generada por un módulo solar de uso espacial previo a ser utilizado en una misión. El análisis es abordado mediante el modelado y simulación de una celda solar de triple juntura (TJ) desde el punto de vista eléctrico con su consecuente contrastación experimental.
En el último capítulo se pasa revista a la integración eléctrica de los paneles solares de las misiones SAOCOM y SAC-D/Aquarius, llevada a cabo dentro del laboratorio de integración de paneles para uso espacial del DES, y a la elaboración de sensores solares gruesos de posición utilizados en las mismas misiones. Finalmente se presenta la caracterización corriente de cortocircuito vs. ángulo de incidencia para dichos sensores solares, así como sus aplicaciones en otras misiones espaciales.Complete Title
Characterization and manufacture of photovoltaic devices for space applications
Abstract
The Solar Energy Department (DES) of the Argentine National Atomic Energy Commission (CNEA) performs research and development activities related to the use of photovoltaic solar energy conversion for space and terrestrial applications. The development of solar arrays for spacecrafts began in 1995 as part of a collaboration between CNEA and the National Commission for Space Activities (CONAE).
Since March 2001, after the signing of the first agreement for specific cooperation between CNEA and CONAE, the DES, sited at Constituyentes Atomic Center (CAC) from CNEA, is working on the development of solar arrays for satellite missions in the frame of the national space plan. This agreement, framed within law No. 23,877 of promotion and foment for the Technological Innovation, led to the initiation at CAC of the Solar Panels Subproject as part of SAC- D and SAOCOM Projects in order to design, manufacture and test PV panels for both missions through the signing of successive technological assistance contracts between CNEA and CONAE. Planned activities include, in addition to the development of manufacturing and test technologies for space solar panels, the development of theoretical models that allow to design and simulate the operation of power generation (Satellite Power System) along the mission life. This Doctoral Thesis was executed at DES-CNEA, in the framework of the institutional collaboration between CNEA and CONAE aforementioned whose main objective is to have in Argentina specific techniques of design, simulation, fabrication, characterization and testing for space solar panels.
The activities within the thesis were focused on both electrical and electronic characterization of photovoltaic devices for space applications. In particular, multijunction solar cells based on III-V semiconductors (the main component of solar panels for space applications) were studied. As part of the study of triple junction solar cells are presented in this work the development, start-up and initial results of a setup for the measurement of spectral response of these cells, the same used in SAOCOM and SAC- D missions.
In the next chapter, a detailed analysis of the I-V characterization (current vs. voltage) of photovoltaic modules integrated with these devices through a technique called multiflash is presented. This characterization allows to experimentally determining the power generated by a solar module prior to be used in a space mission. The analysis is approached by electrical modeling and simulation of a triple junction solar cell (TJ) with the PSpice software and their subsequent experimental validation.
In the last chapter are presented the electrical integration of the solar panels belonging to SAOCOM and SAC- D/Aquarius missions, performed in the integration lab at DES, and the production of coarse sun sensors used in the same missions. Finally, the characterization current vs. angle of incidence is presented for these solar sensors, as well as their application in different space missions.
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