Análise experimental de painéis fotovoltaicos e a viabilidade do uso de geradores termoelétricos em CubeSat 3U

Abstract

Os subsistemas de suprimento de energia e controle térmico de um CubeSat possuem limitações devido ao tamanho e quantidade de energia disponível. Embora tenham ocorrido avanços no desenvolvimento dos painéis fotovoltaicos, permitindo uma maior geração de energia em CubeSats, ainda existe a diminuição de sua eficiência com o aumento da temperatura. Esse fenômeno é conhecido como degradação térmica e pode ser atribuído a diferentes fatores, como o aumento da resistência interna das células fotovoltaicas e a diminuição da tensão de circuito aberto. Para superar essas limitações, é fundamental implementar estratégias de controle térmico que minimizem o aquecimento do painel fotovoltaico. O presente trabalho tem como objetivo estudar experimentalmente a eficiência de um painel fotovoltaico de um CubeSat 3U em relação à temperatura de operação, bem como o emprego de tubos de calor comerciais com água como fluido de trabalho, em conjunto com geradores termoelétricos. A ideia é aproveitar o calor residual do painel fotovoltaico para aquecer uma superfície do TEG, enquanto o tubo de calor é utilizado para resfriar a outra superfície. Para simular o ambiente espacial, os experimentos foram realizados em uma câmara vácuo-térmica, com baixa pressão de 1.10ି଼ bar e temperatura variando de 0 °C a -100 °C. Além disso, um painel de LEDs foi utilizado para simular a irradiância solar, com valores de 800 W/m² e 1370 W/m² incidindo no painel fotovoltaico. Após a realização dos experimentos, observou-se que, entre as duas configurações apresentadas, a configuração com tubo de calor e TEGs gerou 10% a mais de energia para uma irradiância de 1370 W/m². Além disso, constatou-se que o aumento de temperatura no painel fotovoltaico na redução da eficiência de conversão de energia do painel. Os tubos de calor funcionaram adequadamente, transferindo o calor para os radiadores. No entanto, constatou-se que os TEGs não são adequados para esse propósito devido ao peso adicional que eles introduzem no sistema, o qual não é justificado pela pequena quantidade de energia gerada, devido ao pequeno gradiente de temperatura nas superfícies.

The power supply and thermal control subsystems of a CubeSat have limitations due to their size and the amount of available energy. Although there have been advancements in the development of photovoltaic panels, allowing for increased energy generation in CubeSats, there is still a decrease in their efficiency with rising temperatures. This phenomenon is known as thermal degradation and can be attributed to various factors, such as increased internal resistance of the photovoltaic cells and a decrease in open-circuit voltage. To overcome these limitations, it is crucial to implement thermal control strategies that minimize the heating of the photovoltaic panel. The aim of this study is to experimentally investigate the efficiency of a 3U CubeSat photovoltaic panel in relation to operating temperature, as well as the use of commercial heat pipes with water as the working fluid, in conjunction with thermoelectric generators (TEGs). The idea is to harness the residual heat from the photovoltaic panel to warm one surface of the TEG, while the heat pipe is employed to cool the other surface. To simulate the space environment, the experiments were conducted in a vacuum-thermal chamber with a low pressure of 1.10ି଼ bar and a temperature ranging from 0 °C to -100 °C. Additionally, an array of LEDs was used to simulate solar irradiance, with values of 800 W/m² and 1370 W/m² incident on the photovoltaic panel. Following the completion of the experiments, it was observed that, between the two presented configurations, the setup with the heat pipe and TEGs generated 10% more energy for an irradiance of 1370 W/m². Furthermore, it was found that an increase in temperature on the photovoltaic panel resulted in lower energy generation. The heat pipes functioned adequately, transferring the heat to the radiators. However, it was noted that TEGs were not suitable for this purpose due to the additional weight they introduced to the system, which was not justified by the small amount of energy generated, given the small temperature gradient across the surfaces