Welche Kriterien bestimmen das Design von Solarmodulen?

Wenn Sie also an einem Design für Solarmodule arbeiten, beginnen Sie in der Regel auf der obersten Ebene. Ihre grundlegende Anforderung ist die Menge an Panelfläche, die Sie benötigen, und diese wird auf der Grundlage Ihrer Missionsanforderungen für Folgendes bestimmt:

• Energieerzeugung. Wie viel Strom muss ich erzeugen?
• Entfernung von der Sonne. Wie viel Sonnenenergie erreicht mein Raumschiff (am entferntesten Punkt)?
• Einfallswinkel. Wie viel dieser Energie wird voraussichtlich auf mein Panel übertragen? Dies wird normalerweise in frühen Stadien mit einem angenommenen Wert angegeben. Es ist erwähnenswert, dass dies nicht immer 90 Grad sind, da einige Raumfahrzeuge ( z. B. BepiColombo ) ihre Paneele aus thermischen Gründen absichtlich neigen.
• Solarpanel/Array-Effizienz. Wie viel der Sonnenenergie, die auf meine Module trifft, wird in Strom umgewandelt, und wie viel davon gelangt zu meinem Stromsystem/Speicher?
• Kombination aus Missionsdauer und Panel-Degradationsrate. Solarzellen verlieren im Laufe der Zeit an Effizienz, sodass Sie die Fläche berechnen müssen, die Sie am geplanten Ende Ihrer Mission benötigen und nicht am Anfang.
• Rand. Je nachdem, wo Sie arbeiten, haben Sie wahrscheinlich einen Standard dafür, wie viel Marge Sie anwenden müssen und wo Sie sie anwenden müssen. Dadurch wird der als sicher berechnete Bereich normalerweise um einen Prozentsatz erhöht.

Diese Faktoren bestimmen den groben vorläufigen Flächenbedarf. Auf Wunsch kann ich wahrscheinlich zu einem späteren Zeitpunkt einige Formeln in meine Antwort einarbeiten.

Sobald Sie diesen Bereich haben und mehr über das Design Ihres Raumfahrzeugs bekannt wird, konkretisieren Sie das Design weiter. Die Frage scheint sich auf die Form/Aussehen der Solarmodule zu konzentrieren, daher werde ich mich darauf konzentrieren und nicht auf die feineren Details der elektrischen, thermischen oder strukturellen Konstruktionen eingehen, da ich in keinem davon viel Erfahrung habe.

Vom Standpunkt der Form her besteht die Herausforderung darin, wie Sie diesen erforderlichen Bereich in die Konfiguration des Raumfahrzeugs einpassen. Ich würde sagen, drei Aspekte treiben das Design aus dieser Sicht an.

1. Start. Ihr S/C muss in die Trägerrakete und/oder den Deployer passen. Das bedeutet, dass die Paneele, wenn sie groß sind, zu einem ausreichend kleinen Bereich zusammengefaltet werden müssen, damit sie passen. Der Bereich, der innerhalb des Trägerraketenfahrwerks oder des Einsatzfahrzeugs verfügbar ist, treibt das Faltdesign der Paneele an. Ein einfaches Beispiel: CubeSats werden aus einer Box mit Schienen, bekannt als P-POD, eingesetzt, die an jeder Kante einen kleinen Rand hat, in den die Paneele gefaltet werden können. Daher müssen die gefalteten Paneele (falls entfaltbar) kleiner sein als die Größe einer Seite des Satelliten und dünner als der Rand zwischen dem Satelliten und der Kante des P-POD. Wenn eine größere Fläche in einen kleineren Umschlag passen muss, muss im Allgemeinen ein komplexeres Faltverfahren verwendet oder die Fläche reduziert werden.
2. Operationen. In welche Richtung zeigt der Satellit in den Weltraum und was können die Paneele dabei blockieren/nicht blockieren? Sie können das Panel nicht dort platzieren, wo es beispielsweise die Sicht von der Kamera blockiert, die Ihr S/C für die Wissenschaft verwendet. Ein weiteres Beispiel ist, dass einige Methoden des Elektroantriebs eine extreme Verschlechterung verursachen könnten, wenn Sie die Platte im Auspuff des Motors platzieren. Gleichzeitig müssen Sie sicherstellen, dass die Panels nicht im Schatten des Raumfahrzeugs liegen (wenn möglich) und den richtigen Einfallswinkel zur Sonne haben. Dies bestimmt den Ort, an dem die Paneele auf dem Raumfahrzeug platziert werden, ihre Form beim Entfalten und ob eine Solar Array Drive Assembly (SADA) zum Ausrichten der Paneele erforderlich ist.
3. Risiko und Komplexität (und damit verbundene Kosten). Je mehr bewegliche Teile, desto mehr kann bei einer Mission möglicherweise schief gehen. Aus diesem Grund entscheiden sich viele kleine CubeSats für den Betrieb mit am Körper montierten Solarmodulen, wenn ihr Strombedarf dies zulässt, da sie dann die Kosten, die Komplexität und das Risiko vermeiden, die mit dem Einsatz von Solarmodulen verbunden sind. Eine andere häufig ergriffene Maßnahme besteht darin, dass das "Falten" von entfaltbaren Arrays so erfolgt, dass der nach außen gerichtete Teil des Arrays im zusammengeklappten Zustand Strom erzeugen kann, selbst wenn die Entfaltung fehlschlägt. Der Designer muss berücksichtigen, wie "riskant" das Design ist, was oft darauf basiert, ob und wie oft das Design oder ein ähnliches auf früheren S/C geflogen wurde. Je komplexer oder innovativer das Design ist, desto höher sind im Allgemeinen die mit der Realisierung dieses Designs verbundenen Kosten.

Basierend auf diesen drei Überlegungen und anderen (z. B. Thermik, da Dinge, die auf die Sonne zeigen, dazu neigen, im Weltraum sehr heiß zu werden), würden Sie im Allgemeinen einen Kompromiss eingehen, um das „beste“ Design für Ihren Anwendungsfall durch Abwägen zu bestimmen Unterschiedliche Faktoren. Mir ist klar, dass diese Antwort ziemlich vage ist, da bei der Entwicklung eines detaillierten Konfigurationsdesigns viele Kriterien zu berücksichtigen sind, aber ich hoffe, dies beantwortet Ihre Frage!

Bearbeiten: Ein weiterer Nischenaspekt, den ich vergessen habe, ist Drag. Die Erdatmosphäre (oder jeder andere Planet mit der eigenen) Atmosphäre erzeugt einen Luftwiderstand auf einem Raumfahrzeug, der dazu führt, dass es im Laufe der Zeit seine Umlaufbahnhöhe verringert. Für Raumfahrzeuge, die erdnah umkreisen, könnten große Sonnenkollektoren die Missionsdauer erheblich verkürzen oder die Antriebsanforderungen erhöhen. Raumfahrzeuge mit einer extrem niedrigen Umlaufbahn neigen aus diesem Grund dazu, am Körper montierte oder kleinere Solarmodule zu bevorzugen. Dies wirkt sich auch auf die Konfigurationsüberlegungen aus, da asymmetrische Platten somit ein (kleines) Moment auf das s/c einbringen. Der Sonnenstrahlungsdruck kann einen ähnlichen Effekt haben und auch eine Kraft auf die Paneele und den s/c ausüben.