Análise experimental de sistema de controle térmico para painéis fotovoltaicos de CubeSats

Abstract

A miniaturização dos satélites para nano- e picossatélites, aliada à subsequente padronização, tem apresentado desafios ao subsistema de fornecimento de energia elétrica. Os painéis solares fotovoltaicos, que constituem a principal fonte de geração energética em nanossatélites, frequentemente possuem baixa eficiência, prejudicada ainda mais pelo aumento da temperatura de operação. Além disso, essa padronização restringe volume, peso e área superficial disponível para instalação dos painéis solares. Assim, com limitação de área e eficiência dependente da temperatura, é fundamental buscar soluções que melhorem o desempenho desse subsistema. Este trabalho tem como objetivo analisar experimentalmente o desempenho térmico de um painel fotovoltaico para CubeSat 1U, comparando diferentes configurações de sistemas de controle térmico com tubos de calor e de geração extra de energia elétrica com geradores termoelétricos (TEGs), visando o aumento da eficiência do painel e da energia total gerada. Os testes foram conduzidos em uma câmara vácuo-térmica, com pressão de 1 · 10−2 mbar e temperatura de -30 °C, simulando o ambiente espacial. Adicionalmente, a câmara foi equipada com um conjunto de LEDs para simular uma irradiância solar fixa de 906,5 W/m2 sobre o painel. Ao final dos experimentos, observou-se que a configuração com apenas tubos de calor promoveu um ganho de potência de 13,55%, e maiores razões de potência por massa total e por volume adicional, em comparação com a configuração com TEGs. Deste modo, foi constatado que os TEGs são inadequados para a aplicação proposta, pois o peso e o volume adicionados ao sistema não são justificados pela baixa quantidade de energia gerada, dado o pequeno gradiente de temperatura nas superfícies.

The satellite miniaturization into nano- and picosatellites, and subsequent standardization have introduced challenges to the electrical power supply subsystem. Photovoltaic solar panels, the main energy source in nanosatellites, frequently have low efficiency, and are further affected by the increased operating temperature. Furthermore, this standardization restricts the volume, weight and available surface area for solar panel installation. Therefore, with limited area and temperature dependent efficiency, it is fundamental to find solutions that improve the performance of this subsystem. This work aims to experimentally analyze the thermal performance of a photovoltaic panel for a 1U CubeSat, comparing different configurations of thermal control systems with heat pipes and extra energy generation with thermoelectric generators (TEGs), in order to increase the panel’s efficiency and the total energy generated. The tests were conducted in a thermal-vacuum chamber, with a pressure of 1 · 10−2 mbar and a temperature of -30 °C, simulating the space environment. Additionally, the chamber was equipped with an array of LEDs to simulate a fixed solar irradiance of 906.5 W/m2 on the panel. Following the completion of the experiments, it was observed that the setup with only heat pipes provided a power gain of 13.55% and higher ratios of power generated per total mass and additional volume, when compared to the TEGs configuration. Therefore, it was noticed that TEGs were unsuitable for this purpose, because the weight and volume added to the system are not justified by the limited amount of energy generated, given the small temperature gradient across the surfaces.