Solární články pikosatelitu PilsenCube

Podrobnosti

Kategorie: PilsenCUBE I

Solární články pro běžné použití v pozemních podmínkách se zpravidla vybírají podle cenového kritéria, účinnost přeměny energie slunečního svitu na elektřinu je až druhotná, neboť nejsme příliš limitováni plochou, na kterou můžeme solární články osadit pro získání vyššího příkonu. Při výběru solárních článků na satelity (nebo pikosatelity) se ovšem snažíme z malé plochy získat co nejvíce elektrické energie, tedy vybíráme články s co nejvyšší účinností. Tu lze zajistit speciálními vrstvenými materiály, kde každá z vrstev je citlivá na odlišnou spektrální oblast slunečního světla. Takovéto články se pro svoji extrémní cenu v pozemních podmínkách až na vyjímky nepoužívají, v celkových nákladech na postavení a vypuštění satelitu však tvoří zanedbatelnou položku.

Pikosatelit PilsenCube a jeho solární články Spectrolab

Výkon, který jsou schopné solární články vyrobit ze slunečního svitu, je možné přibližně spočítat z plochy solárních článků vystavených přímému slunečnímu svitu, z jejich účinnosti a z intenzity osvětlení, která je v blízkosti planety Země rovna zhruba 1350 W/m². Pokud bychom na stěnu pikosatelitu typu CubeSat použili běžné křemíkové solární články o ploše 60 cm² a natočili je přímo ke Slunci, vyrobí zhruba jen 1W výkonu. Použijeme-li moderní vícevrstvé články, pak ze stejné plochy vyrobí přibližně 3W výkonu. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli pro pikosatelit PilsenCube takovéto moderní GaInP₂/GaAs/Ge solární články s účinností přibližně kolem 27 % až 30 % použít.

Dnes je vyrábí celá řada výrobců na světě (Spectrolab, Astrium, Emcore) zpravidla ve standardních tvarech a rozměrech (cca 26 až 32cm²) vycházejících z výrobních forem. Na jednu stěnu pikosatelitu typu CubeSat se vejdou dva články, které se zpravidla kvůli zvýšení výstupního napětí zapojují sériově. Maloobchodní cena takovéto solární stěny se dvěma články je 2600 USD. Takovéto řešení solární stěny ovšem představuje i nezanedbatelné riziko ztráty veškerého příkonu ze stěny v případě poruchy spínaného měniče, na který jsou sériově spojené články zapojeny nebo v případě popraskání jednoho ze článků (vlivem vibrací při startu rakety, rozdílné teplotní roztažnosti článků a nosné desky, mikrometeoritem).

Galerie obrázků solárních článků pikosatelitu PilsenCube:

Zleva po řádcích - pikosatelit třídy CubeSat osazený standardní velikostí solárních článků, poloha výklopných solárních stěn pikosatelitu PilsenCube po uvolnění, prototyp výklopné solární stěny neosazený, prototyp výklopné solární stěny po osazení solárními články TASC, nerezová šablona pro osazování solárních článků, návrh rozmístění solárních článků TASC na přední pevné stěně, návrh rozmístění solárních článků TASC na spodní stěně pikosatelitu PilsenCube, výsledky výpočtů dostupného elektrického výkonu v závislosti na orientaci pikosatelitu vůči Slunci, standardní řezy solárních článků, malé trojúhelníkové řezy TASC, naměřené teplotní závislosti účinnosti, naměřené směrové závislosti účinnosti solárních článků TASC.

Jiné řešení představují malé solární články z téhož materiálu, které vznikají jako odpadní produkt při výrobě originálních tvarů. Na okrajích výrobních forem není možné garantovat kvalitu a homogenitu materiálu, proto se okrajové části odřezávají a vznikají tak zkosené originální tvary solárních článků a malé trojúhelníkové odpadní odřezky. Ty prodává firma Spectrolab za zlomek ceny pod označením TASC (triangular advanced solar cell). Pro pikosatelity typu CubeSat ovšem představují velmi zajímavou alternativu s možností výrazně zlepšit spolehlivost solární stěny. Na jednu stěnu se jich vejde několik desítek a je možné je rozdělit do několika nezávislých větví a nezávislých spínaných měničů, takže porucha jednoho článku nebo měniče nevyřadí dodávku elektrické energie z celé stěny. Navíc lze efektivněji řešit umístění dalších komponent pikosatelitu na stěnu (antény, senzory) než při použití dvou velkých řezů.

Pro náš pikosatelit PilsenCUbe jsme navrhli šest pevných solárních stěn pokrytých jednostraně solárními články TASC a čtyři výklopné obustraně pokryté stěny. Zjednodušení osazování stěny velkým počtem malých a křehkých článků jsme vyřešili pomocí zasazování do nerezové šablony a kontaktování pomocí speciálního elektricky vodivého lepidla, které splňuje certifikaci pro použíti v kosmu. Takovýto systém solárních stěn po rozevření je schopen pikosatelitu dodat příkon 7 W při ideálním nasměřování vůči Slunci a v průměru 4,5 W při volné rotaci pikosatelitu.

Výzkum a vývoj technologie spolehlivých pikosatelitů byl v letech 2009 až 2011 podporován Grantovou agenturou České republiky v rámci projektu "Energeticky úsporná platforma pro experimentální výzkum na bázi pikosatelitů" pod registračním číslem 102/09/0455. Projekt má vlastní webové stránky: www.pilsencube.zcu.cz

Galerie obrázků celého projektu pikosatelitu PilsenCube: