Análise experimental de dispositivos térmicos para ampliação energética em nanossatélites

Abstract

A geração de energia elétrica é uma necessidade fundamental para todo tipo de veículo espacial, incluindo os nanossatélties. Atualmente, o principal componente utilizado para gerar energia elétrica nestes dispositivos é o painel solar. No entanto, devido à limitação de área para instalação e a baixa eficiência do painel solar, outras tecnologias podem ser empregadas para melhorar a capacidade de geração elétrica em nanossatélties. Este trabalho apresenta um estudo experimental com associações de dois dispositivos: os tubos de calor e geradores termoelétrico (TEG), para potencialização da geração de energia elétrica em nanossatélites. Propõe-se a avaliação do desempenho destes dispositivos para diferentes configurações de posicionamento e acoplamentos em um nanossatélite do padrão Cubesat 1U. Além disso, propõe o estudo de viabilidade do emprego de um tubo de calor cobre/água comercial para aplicação em nanossatélites. Em paralelo a este estudo, foi desenvolvido uma câmara vácuo térmica para emular as condições espaciais e qualificar experimentos construídos. Com os dados do perfil de irradiância solar do FloripaSat desenvolvido pela UFSC foi possível simular dentro de uma câmara vácuo térmica o comportamento de um painel solar, tubo de calor TEG. Como resultado, a associação do tubo de calor cobre/água à um painel solar aumentou a capacidade de geração elétrica em 23%. A relação energia gerada por massa para este caso foi de 10,05 mWh/g. Já a associação tubo de calor, TEG e painel solar não se mostrou promissora. O emprego do tubo de calor cobre/água adquirido mostrou-se viável para condições orbitais, mesmo operando em ambientes de temperaturas negativas, devido ao regime transiente e cargas térmicas impostas continuamente que acabam os tornando operacionais.

Abstract: Electricity generation is a fundamental need for all types of space vehicles, including nanosatellites. Currently, the solar panel is the main component used to generate electricity in these devices. However, due to the limited area for installation and the low efficiency of the solar panel, other technologies can be used to improve the electricity generation capacity in nanosatellites. This work presents an experimental study with associations of two devices: heat pipes and thermoelectric generators (TEG), to enhance electricity generation in nanosatellites. It is proposed to evaluate the performance of these devices for different positioning configurations and couplings in a Cubesat 1U standard nanosatellite. In addition, it proposes the feasibility study of using a commercial copper/water heat pipe for application in nanosatellites. In parallel to this study, a vacum chamber was developed to emulate the space conditions and qualify constructed experiments. With data from the solar irradiance profile of FloripaSat developed by UFSC, it was possible to simulate the behavior of a solar panel, TEG, and heat pipe inside a vacum chamber. As a result, the association of the copper/water heat pipe to a solar panel increased the electrical generation capacity by 23%. The energy generated by mass ratio for this case 10,05 mWh/g. The combination of the heat pipe, TEG, and the solar panel was not promising. The use of the acquired copper/water heat pipe proved viable for orbital conditions, even in negative temperature environments, due to the transient regime and continuously imposed thermal loads that make them operational.