Fagstoff

Generering av energi i rommet

Publisert: 01.09.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut
Stereosatellittene folder ut solcellepanelene

Både Hermann Potocnik (1929) og Arthur C. Clarke (1945) foreslo å skaffe strøm til drift av satellittene fra solenergien. De tenkte å bruke en dampmaskin som kunne drive elektriske generatorer. Det ville være dampmaskiner med høy effektivitet. Den løsningen som benyttes nå er bruk av solceller, halvlederkomponenter som omformer energien fra sollyset til elektrisk strøm. Strømforsyning og energilagring er viktige komponenter i en satellittplattform.

Historisk utvikling

Strømforsyning slik Potocnik tenkte seg det. Illustrasjon.Strømforsyning foreslått av Potocnik
Opphavsmann: Herman Potocnik
   

Hermann Potocnik foreslo i en bok publisert i 1929 å skaffe den nødvendige effekten til sin romstasjon fra solenergien. Sollyset ble fokusert i et parabolsk speil for å generere dampen som skulle drive strømgeneratoren. Avkjøling, kondensering, av dampen ville skje ved utstråling til det kalde verdensrom.

Effektiviteten for dampmaskiner er gitt av den såkalte Carnot-syklusen, og her inngår høyeste og laveste temperatur i prosessen. Produksjon av dampen ville skje ved hjelp av energi fra sola, som har en overflatetemperatur på ca. 6000 grader, mens avkjølinga ville oppnås ved å stråle energi ut mot det kalde verdensrommet, som har en temperatur på knapt 4 grader over det absolutte nullpunkt, – 168 °C.

Arthur C. Clarke foreslo samme løsning i sin artikkel fra 1945.
I et etterord til artikkelen, skrevet etter at de første atombombene var sprengt i august 1945, skriver Clarke at den mest sannsynlige energikilden ville være atomenergi.

Ingen av disse spådommene slo til i første omgang. Mellom hans artikkel og den første oppskyting av satellitter ble faststoffysikken utviklet, og det ble utviklet halvlederelementer, solceller, som kunne forvandle sollys til elektrisk strøm.

Generering av effekt har alltid vært en flaskehals for utvikling av de fleste rombaserte systemene. Dette gjelder også for kommunikasjonssatellittene, spesielt de som skal kringkaste TV-bilder til små hjemmemottakere. Intelsat III-satellitten, som var den første som ble brukt til regelmessig interkontinental telekommunikasjon, var basert på et effektforbruk på ca. 100 watt. En moderne kringkastingssatellitt har en energiproduksjon på typisk 15 kW. Romstasjonen, ISS (the International Space Station), har et effektbehov i størrelsesorden Megawatt.

Romfartøyer vil hovedsakelig skaffe energien sin fra sollyset, men for de aller fleste satellittbanene vil satellittene tidvis komme i jordskyggen. For eksempel vil geostasjonære satellitter i løpet av to perioder hvert år, rundt vår- og høstjevndøgn, passere gjennom jordskyggen. Hvis det kreves kontinuerlig drift, må satellittene også utstyres med muligheter for lagring av energi. I dag brukes batterier til dette formålet, men batteriene er en av de mest kritiske komponentene i en satellitt. Vekten er høy, ytelsen går ned med tiden og det er vanskelig å prediktere levetiden.

Det er derfor stor interesse for å finne alternative energilagringsmetoder, og det arbeides derfor intenst med utvikling og forbedring av teknologi for effekt-generering og lagring. Mekanisk lagring i svinghjul og elektrokjemisk lagring i brenselceller er mulige alternativer.

Solcelle. Illustrasjon. Solcelle
Forfatter: Gunnar Stette
  

Solceller

Den første praktisk anvendbare solcellen ble utviklet ved Bell Labs i 1954 og brukt på Vanguard 1 i 1954. Strømmen genereres i en pn-overgang. Solceller lages i størrelse 2 x 2 eller 2 x 4 cm, og de har en tykkelse på 0.2 mm. Solceller skades av høyenergistråling fra solen, og de må derfor gis et beskyttende lag, noe som øker vekten. Den karakteristiske blå fargen for solcellepaneler skyldes dette belegget.

Virkningsgraden er i området 10 til 20 %, avhengig av type. Solceller av silisium har typisk en virkningsgrad på 16 %, mens den er typisk 19 % for Gallium-Arsenid, som blir stadig mer brukt. Nå er det også utviklet gallium-arsenidceller med en virkningsgrad på så mye som 27 %. Dette er basert det forhold at gallium-arsenid er gjennomsiktig. Nederst ligger et lag som absorberer rødt lys, over det et lag som absorberer grønt lyst, og øverst et lag som absorberer det mest energirike blå lyset. Slike solceller er kostbare å fremstille, med det kan være en lønnsom investering.

Strøm-spenningskarakteristikkStrøm-spenningskarakteristikk
Opphavsmann: Public domain
 

Et annet viktig mål for effektiviteten for et solcellepanel, ved siden av Watt per kvadratmeter, er antall watt per kg solcellepanel. For en rotasjonsstabilisert satellitt er typisk verdi 10 W/kg mens den for en treaksestabilisert satellitt med styrbare solcellepaneler kan komme opp i 50 W/kg ved slutten av levetiden med silisiumceller, og opp til 110 Watt per kg for gallium-arsenidceller. Strømspennings-Strøm-spenningskarakteristikk. Illustrasjon.Strøm-spenningskarakteristikk
Opphavsmann: Public domain
 karakteristikken for ei slik solcelle er vist på figuren. For å få tilstrekkelig spenning og strømstyrke må solcellene bygges sammen i grupper.

Det arbeides nå med utvikling av en helt ny type solceller. De er laget av amorf silisium. De kan lages med tre lag, og hvert lag kan avstemmes til en spesiell farge, blått, grønt og rødt. Disse solcellene er ekstremt tynne og lette, og kan monteres på forskjellig underlag, fra kapton til antennereflektorer. Virkningsgraden er typisk 13%, den er lite avhengig av temperaturen, og effektutbyttet kan komme opp i 400 Watt per kg.

 

SolcellepanelerSolcellepanel
Opphavsmann: ESA
 

Seriekobling av solcellene gir addisjon av spenningene. For å få en spenning på 50 volt kan typisk 120 celler kobles i serie. For å øke strømstyrken parallellkobles flere slike solcellekjeder, og da adderes strømstyrken. Med 40 kjeder i parallell vil strømstyrken være ca. 6 A. Hver seriekobling er beskyttet ved hjelp av dioder slik at en kortslutning i en slik kjede ikke skal sette hele panelet ut av drift. Flere slike enheter kobles så sammen til hele solcellepaneler som skal forsyne satellitten med effekt. Satellitter med store effektbehov, for eksempel de som skal brukes til TV-kringkasting, må ha solcelle paneler med store arealer, og slike arealer må være sammenbrettet eller sammenrullet under oppskyting.

Degradering av solceller

Effektiviteten for solceller synker over tid på grunn av stråling fra sola og kosmisk stråling. Reduksjonen vil være avhengig av type solcelle og av den skjerming som panelene er utstyrt med. For en geostasjonær satellitt kunne en reduksjonen til 70 % per år være typisk. Dette har stor betydning for dimensjonering av strømforsyningen. Ofte er det slik at trafikken, og dermed effektbehovet, øker over en satellitts levetid, og samtidig reduseres kapasiteten. Dessuten konstrueres satellitter for stadig lengre levetid. Strømforsyningen må derfor dimensjoneres etter behov og ytelse ved slutten av levetiden, EOL (End of Life).

Satellitter i molniya-type bane, som går gjennom Van Allen-beltene, må ha ekstra skjerming av solcellene, noe som typisk kan doble vekten per kvadratmeter panel.

Oppgaver

Praktisk stoff for

Generelt