Storicamente, la necessit`a di potenza nello spazio `e stata dominata dall’im- piego di celle solari al Silicio (Si). Successivamente l’affermazione delle celle
Rispetto alle celle al Silicio, quelle multi-giunzione sono pi`u resistenti nei confronti delle radiazioni e hanno maggiore efficienza nella conversione dell’ener- gia, ma sono anche pi`u pesanti e pi`u costose. Esse offrono inoltre prestazioni migliori sia a inizio (BOL) che a fine vita (EOL).
Nelle celle multi-giunzione si impiegano frequentemente substrati in Ger- manio (Ge), perch`e presentano due vantaggi rispetto a quelli in composti semiconduttori, come l’Arseniuro di Gallio (GaAs): costi pi`u bassi e pi`u alta resistenza a rottura. Entrambi questi sottostrati hanno densit`a maggiore di quelli in Silicio, di un fattore di circa 1.8: tipicamente, quindi, le celle al Silicio sono pi`u leggere.
Esse sono anche pi`u sottili di quelle in Germanio: questo `e dovuto al fatto che i substrati in Silicio sono meno friabili e hanno il vantaggio di poter essere realizzati in tutta sicurezza a valori di spessore dell’ordine di 75 µN. Invece le celle in Germanio hanno spessori nell’intervallo 140÷180 µm e, conseguen- temente, alti rapporti di massa per unit`a di area.
Nel presente lavoro si `e scelto di impiegare celle solari a doppia giunzione (2J), di cui si riportano in tabella alcuni parametri caratteristici [12]:
Parametro prestazionale Valore Unit`a di misura
BOL Minimum Average η 23.5 %
EOL Temperature Coefficient -0.030 %/◦C
Thickness 140 µm
Mass per Unit Area 0.85 kg/m2
Tabella 3.3: Prestazioni principali di una cella solare a doppia giunzione (2J)
Si riportano anche alcune prestazioni [12], tutte relative alla condizione di EOL, valutate per le condizioni caratteristiche di un’orbita LEO (Low Earth Orbit ) (80◦C):
Parametro prestazionale Valore Unit`a di misura
Efficiency on Orbit 18.1 %
Power per Unit Area 245 W/m2
Power per Unit Mass 288 W/kg
Normalized Cost 1.29 $/W
Tabella 3.4: Prestazioni di una cella solare 2J valutate nelle condizioni caratteristiche di un’orbita LEO
3.4.1
Dimensionamento dei pannelli fotovoltaici
La potenza in uscita dai pannelli fotovoltaici PSApu`o essere posta in relazione
alla superficie delle celle solari ASA, attraverso la potenza specifica psp, che
rappresenta la potenza generata per metro quadrato a una distanza di 1 AU dal Sole (quindi in vicinanza alla Terra):
PSA = pspASA (3.1)
Questa relazione deve essere corretta per poter valutare la potenza PSA ad
una generica distanza, poich`e, come precedentemente ribadito, tale potenza diminuisce con il quadrato della distanza r dal Sole. Si `e inoltre supposto implicitamente che i pannelli fotovoltaici siano diretti sempre in maniera ot- timale, quindi in modo che la loro superficie sia perpendicolare alla direzione di incidenza dei raggi solari. In caso contrario si deve tener conto dell’an- golo di incidenza dei raggi solari sulla superficie dei pannelli. La precedente relazione si modifica quindi nel seguente modo:
PSA= pspASAcos φ
r⊕ r
2
(3.2) dove φ `e l’angolo compreso tra la direzione di incidenza dei raggi del Sole e il piano su cui giaciono i pannelli e r⊕ `e la distanza Terra-Sole.
Si ammette, per effettuare un dimensionamento dei pannelli di prima ap- prossimazione, che la potenza disponibile per la PPU sia una frazione della potenza in uscita dai pannelli fotovoltaici:
dove ηSA, che si assume pari a 0.9, rappresenta la percentuale di potenza
in uscita dai pannelli solari fornita alla PPU. La percentuale rimanente `e fornita agli strumenti che costituiscono il carico utile, affinch´e sia possibile il loro funzionamento.
La potenza in ingresso alla PPU del motore di riferimento appartiene ad un preciso intervallo:
PE [PEmin, PEmax] = [0.3, 3.5] kW
Si suppone che questo intervallo di variazione ammissibile di potenza sia sempre disponibile durante l’intera traiettoria di missione. Occorre quindi dimensionare opportunamente i pannelli solari per assicurare di avere almeno una potenza usufruibile pari a PEmax.
L’espressione della potenza massima in ingresso alla PPU risulta quindi:
PEmax = ηSApspASAcos φ
r⊕ r
2
(3.4) Per stimare la superficie delle celle solari dalla precedente relazione, occorre porsi nel caso pi`u conservativo, imponendo che alla massima distanza dal Sole prevista dalla missione si abbia una potenza disponibile almeno pari a 3.5 kW.
Nel seguito del lavoro sono previste un’analisi di missione verso Marte e una verso Venere, rispettivamente distanti dal Sole 1.524 e 0.723 AU: si sceglie quindi di valutare la superficie delle celle solari in corrispondenza della distanza r♂, che rappresenta la distanza media tra Marte e il Sole. Si pone φ = 0, poich´e, per ottenere la massima potenza, i pannelli devono essere rivolti sempre verso il Sole, attraverso l’uso di un adeguato sistema di controllo.
Come valore di potenza specifica psp generata a distanza 1 AU dal Sole in
condizioni di EOL si assume quello riportato in Tabella 3.3. Dalla relazione: ASA = PEmax ηSApsp(r⊕/r♂)2 (3.5) si ottiene ASA= 33.0 m2.
pannelli fotovoltaici. Per fare questo si richiamano ancora le informazioni note per la missione di riferimento.
La missione Dawn presenta 10 pannelli solari, ognuno di area 3.64 m2 [13]; la loro area complessiva risulta quindi di 36.4 m2. Tali pannelli vanno a cos- tituire due strutture identiche, dal singolo peso di circa 63 kg: si ha quindi un peso totale di 126 kg.
Si `e quindi calcolato il rapporto peso su area per i pannelli di cui fa uso Dawn e si `e mantenuto valido anche per quelli oggetto di studio, che risultano cos`ı avere un peso complessivo di 114.2 kg.
A questo punto, si `e potuta stimare la massa dell’intero EPS, prendendo la stessa proporzione tra la massa di tale sistema e quella dei pannelli fotovol- taici della missione di riferimento; si ottiene un EPS di 171.3 kg.