Simulación y modelización de paneles solares y de sistemas de potencia para aplicaciones espaciales
2015
| Tesista | Elena María GODFRIN Licenciada en Ciencias Matemáticas - Universidad de Buenos Aires - Argentina Doctor en Ciencia y Tecnología, mención Física Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directores | Dr. Julio DURÁN, CNEA - Argentina |
| Codirector | Dr. Juan PLA, CNEA, UNSAM - Argentina |
| Lugar de realización | Grupo Energía Solar, Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 01/06/2015 |
| Jurado | Ing. Carlos Daniel CARUSO, CONAE - Argentina Dr. Ing. Juan Ramón EYRAS, UNSAM - Argentina Dr. Rubén WEHT, CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina |
| Código | IS/TD 91/15 |
Título completo
Simulación y modelización de paneles solares y de sistemas de potencia para aplicaciones espaciales
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 y un grupo interdepartamental del Centro Atómico Constituyentes (CAC) se encuentran 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. 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.
En este trabajo se presentan los códigos computacionales desarrollados para dichos modelos, su aplicación al diseño de los paneles solares del SAC-D, la simulación del sistema de potencia de este satélite y la validación del modelo mediante el análisis de la telemetría enviada por el SAC-D. Inicialmente, la fecha de lanzamiento prevista para el SAOCOM era anterior a la del SAC-D, motivo por el cual el desarrollo y análisis de los resultados de los códigos computacionales se iniciaron con las configuraciones del SAOCOM y se presentan aquí sin pérdida de generalidad.
Los modelos desarrollados permitieron diseñar la configuración eléctrica de los paneles solares y verificar que la misma cumpliría con los requerimientos de energía de las misiones.
Asimismo, se realizó un análisis estadístico de la evolución de las características eléctricas de las celdas solares durante el proceso de ensamblado de las mismas, previo a su integración a los paneles solares. Este análisis permitió evaluar la influencia de los diferentes procesos (esencialmente, soldadura y pegado) sobre dichas características eléctricas, contribuyendo a mejorar los mismos y mejorando en consecuencia el aseguramiento de la calidad del producto final, los paneles solares.
El estado de desarrollo de paneles solares alcanzado en la CNEA pasó exitosamente todas las revisiones realizadas durante la ejecución del Proyecto SAC-D/Aquarius ("Preliminary Design Review", "Critical Desgin Review", etc.). La documentación relativa al diseño y simulación de los paneles solares presentada en dichas revisiones fue elaborada en el marco del presente trabajo.
El SAC-D fue puesto en órbita exitosamente el 10 de junio de 2011, desde la base aérea de Vandenberg, EE.UU., momento a partir del cual comenzó a transmitir por telemetría mediciones de las variables de los diferentes subsistemas del satélite y, en particular, de las características eléctricas de los paneles solares. Los datos recibidos de los paneles solares se encuentran en buen acuerdo con los valores obtenidos por simulación a partir de las mediciones realizadas en Tierra.
Finalmente, se estudiaron datos telemétricos del satélite SAC-D recibidos en el período junio de 2011 a abril de 2013, a fin de evaluar la posible degradación de los paneles solares como consecuencia del ambiente espacial (partículas cargadas, radiación ultravioleta, micrometeoritos, etc.) y de estimar la influencia del albedo en la generación de energía. El análisis de los datos recibidos por telemetría no mostró ninguna degradación en las características eléctricas de los paneles solares en el citado período.
Palabras claves: Energía solar, celdas solares, paneles solares, sistema de potencia, simulación
A partir de marzo de 2001, luego de la firma del primer convenio de cooperación específica entre la CNEA y la CONAE, el DES y un grupo interdepartamental del Centro Atómico Constituyentes (CAC) se encuentran 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. 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.
En este trabajo se presentan los códigos computacionales desarrollados para dichos modelos, su aplicación al diseño de los paneles solares del SAC-D, la simulación del sistema de potencia de este satélite y la validación del modelo mediante el análisis de la telemetría enviada por el SAC-D. Inicialmente, la fecha de lanzamiento prevista para el SAOCOM era anterior a la del SAC-D, motivo por el cual el desarrollo y análisis de los resultados de los códigos computacionales se iniciaron con las configuraciones del SAOCOM y se presentan aquí sin pérdida de generalidad.
Los modelos desarrollados permitieron diseñar la configuración eléctrica de los paneles solares y verificar que la misma cumpliría con los requerimientos de energía de las misiones.
Asimismo, se realizó un análisis estadístico de la evolución de las características eléctricas de las celdas solares durante el proceso de ensamblado de las mismas, previo a su integración a los paneles solares. Este análisis permitió evaluar la influencia de los diferentes procesos (esencialmente, soldadura y pegado) sobre dichas características eléctricas, contribuyendo a mejorar los mismos y mejorando en consecuencia el aseguramiento de la calidad del producto final, los paneles solares.
El estado de desarrollo de paneles solares alcanzado en la CNEA pasó exitosamente todas las revisiones realizadas durante la ejecución del Proyecto SAC-D/Aquarius ("Preliminary Design Review", "Critical Desgin Review", etc.). La documentación relativa al diseño y simulación de los paneles solares presentada en dichas revisiones fue elaborada en el marco del presente trabajo.
El SAC-D fue puesto en órbita exitosamente el 10 de junio de 2011, desde la base aérea de Vandenberg, EE.UU., momento a partir del cual comenzó a transmitir por telemetría mediciones de las variables de los diferentes subsistemas del satélite y, en particular, de las características eléctricas de los paneles solares. Los datos recibidos de los paneles solares se encuentran en buen acuerdo con los valores obtenidos por simulación a partir de las mediciones realizadas en Tierra.
Finalmente, se estudiaron datos telemétricos del satélite SAC-D recibidos en el período junio de 2011 a abril de 2013, a fin de evaluar la posible degradación de los paneles solares como consecuencia del ambiente espacial (partículas cargadas, radiación ultravioleta, micrometeoritos, etc.) y de estimar la influencia del albedo en la generación de energía. El análisis de los datos recibidos por telemetría no mostró ninguna degradación en las características eléctricas de los paneles solares en el citado período.
Palabras claves: Energía solar, celdas solares, paneles solares, sistema de potencia, simulación
Complete Title
Simulation and modeling of solar panels and power systems for space applications
Abstract
The Solar Energy Department (DES) of the Argentine National Atomic Energy Commission (CNEA) performs research & development activities related with photovoltaic solar energy conversion for space and terrestrial applications. The development of solar devices for satellites began in 1995 as part of a collaboration between CNEA and the National Commission for Space Activities (CONAE).
From March 2001, after signing a specific cooperation agreement between CNEA and CONAE, the DES and an interdepartmental group of the Constituyentes Atomic Center (CAC) are working on the development of solar arrays for satellite missions under the National Space Plan. This agreement, framed within the Promotion and Development of Technological Innovation Law (Law No. 23,877), led to the initiation of the Solar Arrays Subproject in CNEA, as part of SAC-D and SAOCOM Projects, to design, manufacture and test photovoltaic panels for both missions. Planned activities included, in addition to the development of manufacturing technologies and testing of the panels, the development of theoretical models to design and simulate the operation of the power generation system of the satellite along the lifetime of the mission.
In this paper the computational codes developed for these models, their application to the design of the SAC-D solar array, the simulation of the power system of this satellite and the validation of the model by analyzing telemetry data are presented. Initially, SAOCOM launch date was scheduled before SAC-D launch, so the development and analysis of results of computational codes began with SAOCOM configurations and are presented here without loss of generality.
The developed models allow to design the electrical configuration of the solar panels and verify that it would meet the energy requirements of missions.
Furthermore, a statistical analysis of the evolution of the electrical characteristics of the solar cells was performed during the assembly process, prior to its integration into solar panels. This analysis allowed to evaluate the influence of different processes (essentially, welding and bonding) on the electrical characteristics, contributing to improve them and thus improving the quality assurance of the final product, the solar array.
The state of the development of solar panels made in CNEA successfully passed all the revisions performed during the execution of the SAC-D / Aquarius Project ("Preliminary Design Review", "Critical Design Review", etc.). The documentation associated with the design and simulation of solar panels presented in the revisions were all prepared in the context of this work.
SAC-D satellite was successfully launched on June 10, 2011, from Vandenberg Air Force Base, USA. From that moment, the satellite is transmitting telemetry data of the different subsystems of the satellite and, in particular, of the electrical measurements of the solar array. The data received from the solar panels are in good agreement with values obtained by simulations based on measurements of the electrical characteristics of the solar cells measured on Earth.
Finally, SAC-D telemetry data received in the period June 2011 to April 2013 were studied, to assess the possible degradation of solar panels as a result of the space environment (charged particles, ultraviolet radiation, micrometeorites, etc. ) and to estimate the influence of the albedo on power generation. The analysis of telemetry data received showed no degradation in the electrical characteristics of solar panels in the period.
Key words: Solar Energy, Solar Array, Satellite, Power system, Simulation, Solar cells
From March 2001, after signing a specific cooperation agreement between CNEA and CONAE, the DES and an interdepartmental group of the Constituyentes Atomic Center (CAC) are working on the development of solar arrays for satellite missions under the National Space Plan. This agreement, framed within the Promotion and Development of Technological Innovation Law (Law No. 23,877), led to the initiation of the Solar Arrays Subproject in CNEA, as part of SAC-D and SAOCOM Projects, to design, manufacture and test photovoltaic panels for both missions. Planned activities included, in addition to the development of manufacturing technologies and testing of the panels, the development of theoretical models to design and simulate the operation of the power generation system of the satellite along the lifetime of the mission.
In this paper the computational codes developed for these models, their application to the design of the SAC-D solar array, the simulation of the power system of this satellite and the validation of the model by analyzing telemetry data are presented. Initially, SAOCOM launch date was scheduled before SAC-D launch, so the development and analysis of results of computational codes began with SAOCOM configurations and are presented here without loss of generality.
The developed models allow to design the electrical configuration of the solar panels and verify that it would meet the energy requirements of missions.
Furthermore, a statistical analysis of the evolution of the electrical characteristics of the solar cells was performed during the assembly process, prior to its integration into solar panels. This analysis allowed to evaluate the influence of different processes (essentially, welding and bonding) on the electrical characteristics, contributing to improve them and thus improving the quality assurance of the final product, the solar array.
The state of the development of solar panels made in CNEA successfully passed all the revisions performed during the execution of the SAC-D / Aquarius Project ("Preliminary Design Review", "Critical Design Review", etc.). The documentation associated with the design and simulation of solar panels presented in the revisions were all prepared in the context of this work.
SAC-D satellite was successfully launched on June 10, 2011, from Vandenberg Air Force Base, USA. From that moment, the satellite is transmitting telemetry data of the different subsystems of the satellite and, in particular, of the electrical measurements of the solar array. The data received from the solar panels are in good agreement with values obtained by simulations based on measurements of the electrical characteristics of the solar cells measured on Earth.
Finally, SAC-D telemetry data received in the period June 2011 to April 2013 were studied, to assess the possible degradation of solar panels as a result of the space environment (charged particles, ultraviolet radiation, micrometeorites, etc. ) and to estimate the influence of the albedo on power generation. The analysis of telemetry data received showed no degradation in the electrical characteristics of solar panels in the period.
Key words: Solar Energy, Solar Array, Satellite, Power system, Simulation, Solar cells
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