Warum verwendet die ISS nicht die effizientesten Sonnenkollektoren, die es gibt?

Auf diese Frage gab Geoffc in seiner Antwort an, dass die ISS-Solaranlagen einen Wirkungsgrad von etwa 14 % haben. Als diese Arrays hergestellt wurden, waren Panels mit höherem Wirkungsgrad verfügbar. Warum wurden angesichts der hohen Kosten pro Pfund für den Start von Material in den Orbit keine effizienteren Panels verwendet? Diese Frage schätzt die Masse der Arrays auf 30 Tonnen. Verdoppeln Sie die Effizienz (wie es mit Triple-Junction-Panels möglich zu sein scheint), und Sie könnten das halbieren.

Wenn etwas in die Umlaufbahn gebracht wird, ist das Gewicht ein wichtiges Anliegen, aber auch die Zuverlässigkeit. Es muss funktionieren, also werden altbewährte Technologien neuen vorgezogen.
Die in Raumfahrzeugen verwendeten Solarmodule hatten lange Zeit den Ruf, die effizientesten auf dem Markt zu sein, da die Kosten keine Rolle spielen. Ich weiß aber nicht, wie genau das ist.
Eine weniger bekannte Tatsache über ISS-Solarzellen ist, dass sie doppelseitig (bifazial) sind, um auch durch die Albedo-Beleuchtung der Erde aufgeladen zu werden. Da der Photonenfluss dieser reflektierten Isolierung viel schwächer ist, würde sich dies in der Gesamteffizienz von ISS SAW (Solar Array Wing) widerspiegeln .
Selbst wenn die Paneele nicht die effizientesten in Bezug auf die gesammelte Energie pro Fläche wären, könnten sie immer noch die effizientesten in Bezug auf die Energie pro Gewicht sein .
Denken Sie auch daran, dass das erste Array im Jahr 2000 auf den Markt kam. Das bedeutet, dass das Design wahrscheinlich Mitte der 90er Jahre eingefroren wurde. Berücksichtigen Sie daher nur verfügbare platzbewertete Arrays Mitte bis Ende der 1990er Jahre. Heutige Arrays wären natürlich effizienter.
@geoffc Das 1990 scheint wahr genug zu sein, ich habe einige Untersuchungen zur Zelltrennung und Oberflächenladung gefunden, die bis ins Jahr 1991 zurückreichen. Ich habe nicht herausgefunden, wann die erste SAW hergestellt wurde, und ich nehme an, irgendwo zwischen 1991 und 2000 und nicht davor (wie z Tests können auf einem Boilerplate durchgeführt werden), aber 14% Wirkungsgrad (oder 11,4%, wie ich für die erste im Jahr 2000 gelieferte SAW rechne, mit späteren bis 2009 gelieferten möglicherweise effizienter) war damals ziemlich hoch.
@TildalWave Die Art und Weise, wie Weltraumagenturen arbeiten, glauben Sie, dass die 4 Arrays unterschiedlich oder alle 4 identisch sind, obwohl zwischen dem ersten und dem letzten Start eine Zeitspanne von 10 Jahren verstrich.
@geoffc Keine Ahnung, aber ich würde darauf wetten, dass sie mit jeder neuen SAW, die an die ISS geliefert wird, aktualisiert werden. Es wäre nicht das erste Mal, dass Solarmodule während des Entwurfs aufgerüstet würden, das letzte mir bekannte Beispiel war DSCOVR.
@TildalWave Also habe ich es als separate Frage gestellt. Ich wette, sie haben sie NICHT aktualisiert. Aber was weiß ich? :)

Antworten (1)

Wie 2012rcampion feststellte, verwenden Sie in Ihren Effizienzzahlen die falsche Kostenmetrik.

Triple-Junction-Solarmodule sind im Vergleich zu Single-Junction-Solarmodulen in Bezug auf das Gewicht äußerst ineffizient.

Um zu verstehen, warum dies so ist, müssen Sie verstehen, was eine Triple Junction PV ist.

Dazu muss ich erklären, dass die Hauptineffizienz von Standard-Single-Junction-PV auf die Quanteneffizienz zurückzuführen ist.

Jeder Einzelübergangs-PV hat einen Halbleiterübergang mit einer zugehörigen Spannung oder Farbe.

Dieser PV-Übergang gibt Ihnen nur Energie für Photonen dieser Farbe/Spannung oder blauer. Wenn Sie also eine PV-Kreuzung haben, die auf Grün eingestellt ist, würde dieses Panel bei rotem Licht keinen Strom liefern.

Umgekehrt würden Photonen mit höherer Energie (blauer) nur ein Elektron mit derselben Spannung abgeben (der Rest der Energie geht als Wärme verloren).

Triple-Junction-Solarmodule stapeln buchstäblich ein rotes, grünes und blaues Solarmodul übereinander, um sowohl die Anzahl der in Elektrizität umgewandelten Photonen als auch die pro Photon gewonnene elektrische Energie zu maximieren.

Aber wenn Sie 3 Paneele stapeln, können Sie stattdessen einfach 3 Paneele bauen und sie nebeneinander platzieren, damit sie sich nicht gegenseitig blockieren.

Für einen naiven Ansatz ist Triple Junction also dreimal schwerer, aber nicht dreimal so stark.

Dies wäre wahr, wenn das gesamte Panel nur aus einem pn-Übergang bestehen würde ... aber es gibt eine beträchtliche Menge an passivem Ballast wie Substratkontakte (Silizium, Glas ...) und Strukturteile (z mehr als 33% des Gewichts des gesamten Panels ausmacht (was ich vermute ... aber ich bin mir nicht sicher), als es sinnvoll wäre, von 15% auf 30% Wirkungsgrad zu gehen
Das Substrat skaliert mit der Anzahl der Übergänge. Die tragenden Teile nicht (Glas gilt übrigens als tragend). Sie müssen jedoch bedenken, dass Solarmodule im Weltraum keine gute strukturelle Unterstützung (null g) benötigen. Ich habe auch die damit verbundenen Nicht-Quantenverluste völlig vernachlässigt (Silizium ist eigentlich nicht sehr transparent, zusätzliche Schichten verringern die Durchlässigkeit). Deshalb habe ich gesagt, dass es für einen naiven Ansatz dreimal schwerer ist.
Die Dicke der Waver beträgt jedoch ~ 0,1–0,2 mm, während die Dicke der aktiven Verbindung häufig nur einige Mikrometer beträgt. Mit "Substrat" ​​meine ich, dass viele Dünnschicht-Solarzellen (bei denen der Übergang sogar <1 Mikron beträgt) immer noch auf einem Substrat wie Glas abgeschieden werden, um die strukturelle Steifigkeit zu gewährleisten (ISS-Panels sind ebenfalls starr, daher haben sie vermutlich ein ziemlich dickes Substrat / eine ziemlich dicke Stütze). im Vergleich zur Sperrschichtdicke). Anzeige "im Weltraum brauchen keine gute strukturelle Unterstützung (Null g)" ... Ich stimme zu, dass ich etwas wie phys.org/news/… bevorzugen würde ... aber das ist nicht der Fall von ISS SAW
Warum verwendet die ISS nicht die effizientesten Sonnenkollektoren, die es gibt?
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