F. Iurato, R. Campesato

Celle solari per missioni interplanetarie
1
F. Iurato, R. Campesato
0.39 AU
1.52 AU
1 AU = 149.600.000 km
CESI
AEI Giornata di studio 2/12/2004
Flavio IURATO
2
Celle solari al GaAs per missioni sulla
superficie di Marte
[email protected]
CESI
AEI Giornata di studio 2/12/2004
Obiettivo dello studio
3
Lo studio richiesto dall’Agenzia
Spaziale Europea (ESA) si inserisce
nel programma a lungo termine
AURORA, per l’esplorazione del
sistema solare. Attraverso questo
programma l’ESA intende elaborare
un piano per l’esplorazione umana
dello spazio, con Marte come
obiettivo principale.
Analizzare la possibilità di utilizzare ed eventualmente ottimizzare, celle
solari al GaAs come fonte di energia nelle future missioni europee di lunga
durata sul suolo di Marte.
CESI
AEI Giornata di studio 2/12/2004
Motivazione
4
Fino ad oggi, le missioni sulla superficie di Marte hanno fatto uso
di celle solari “standard”, progettate per operare alla massima
efficienza sui sistemi spaziali in orbita attorno alla Terra.
Le condizioni operative dell’ambiente marziano sono diverse da
quelle orbitali e questo ha imposto delle forti limitazioni nel
progetto di missione sul suolo di Marte.
CESI
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Missioni sul suolo di Marte
5
Viking 1
Viking 2
MARS Pathfinder
(1976-1980)
(4/7-27/9 1997)
Lat. = 22.7° ; Lat. = 48.3° Lat. = 19.5°
Power > RTG
Power > Solar array
CESI
Beagle2
MER-A
MER-B
(2003)
Lat. = 11.6°
Power > Solar array
(2004)
Lat. = -14.2° ; Lat. = -2.0°
Power > Solar array
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Stato dell’arte
6
Sojourner (MARS Pathfinder)
tipo Ö GaAs/Ge
1997
(SJ)
efficienza Ö 18% (1 sole / AM0 / R Temp.)
pannelli solari Ö Pmax su Marte: 16.5 W
2004
Mars Exploration Rovers
tipo Ö GaInP/GaAs/Ge
(TJ)
efficienza Ö 27% (1 sole / AM0 / R Temp.)
pannelli solari Ö Pmax su Marte: 140 W
CESI
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Caratteristiche dell’orbita
7
L’orbita di Marte è caratterizzata da un elevato valore di
eccentricità che porta ad ampie variazioni della distanza tra il
Sole ed il pianeta e quindi dell’intensità solare.
800
1.65
perihelion
S un-Mars dis tanc e [AU]
700
1.55
600
1.45
1.35
500
0
50
100
150
200
250
areocentric longitude [deg]
300
350
S olar Intens ity (AM0, z = 0°) [W / m 2 ]
aphelion
400
Distanza dal Sole
Intensità Solare ( AM0 / ⊥ )
CESI
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Air Mass
8
¾ La radiazione luminosa deve attraversare l’atmosfera prima
di giungere sulla superficie della cella solare.
¾ L’atmosfera modifica la distribuzione spettrale attraverso
meccanismi di assorbimento e di scattering.
¾ La radiazione luminosa attraversa l’atmosfera
percorrendo una distanza che dipende
dall’angolo di incidenza…
L’angolo di incidenza è variabile
nel tempo.
CESI
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Tempeste di polvere
9
In corrispondenza dell’estate meridionale si manifestano enormi tempeste di
sabbia che diffondono attraverso l’atmosfera investendo il pianeta su scala
emisferica.
La polvere atmosferica, in sospensione, contribuisce a modificare la spettro
della luce solare incidente.
(Viking Orbiter 2 image)
Dal punto di vista ottico, la
concentrazione di polvere in
atmosfera è descritta dal valore
di opacità ottica τ :
Cielo “pulito” ⇒ τ = 0.4
Tempesta ⇒ τ = 3.0
CESI
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Distribuzioni spettrali al suolo di Marte
10
2.5
Spectral Distribution @ noon
Intensity [W/m 2/nm]
2.0
1.5
1.0
P = 1367 W/cm2 (WMO/WRDC)
100%
τ = 0.5, P = 420 W/cm2 (EADS ASTRIUM)
63%
τ = 2.0, P = 68 W/cm2 (EADS ASTRIUM)
1%
0.5
0.0
300
400
500
600
700
800
900
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900
Wavelength [nm]
MARS1
CESI
diretta
MARS2
EARTH AM0
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11
Condizioni operative: principali differenze
In orbita attorno alla Terra
Sulla superficie di Marte
¾ spettro solare costante (AM0)
¾ spettro solare variabile
¾ elevata intensità (1367 W/m2)
¾ bassa intensità (< 500 W/m2)
¾ luce diretta (100%)
¾ luce diffusa (> 40%)
¾ cicli termici definiti
¾ bassa temp. op. (+20 ÷ -130 °C)
¾ radiazioni ad alta energia
¾ radiazioni trascurabili (al suolo)
Condizioni operative stabili
CESI
Condizioni operative variabili
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Celle solari a multigiunzione
12
AM0 Solar Spectrum
I
Emitter layer
V
Base layer
TOP
CELL
I
Diodo tunnel
V
Emitter layer
Base layer
I
V
BOTTOM
CELL
I1
TOP CELL
V1
I2
BOTTOM CELL
V2
V = V1 + V 2
I
V
CESI
I = min (I1, I2)
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Celle solari candidate
13
Front contact
Anti Reflection C.
doppia giunzione (p/n) GaAs/Ge
GaAs : p (cap)
AlGaAs : p (window)
GaAs : p (emitter)
GaAs : n (base)
AlGaAs : n+ (buffer)
Tunnel diode
AlGaAs : p (window)
Ge : p (emitter)
Ge : n (base)
Back contact
La piega abbassa il
punto di potenza
massima in AM0
terrestre
…anche in Mars1
CESI
I
I
AM0 / 1 sole
MARS2
Potenza
Disegno non in scala
V
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Disegno non in scala
V
Celle solari candidate
14
tripla giunzione (p/n) InGaP/InGaAs/Ge
Front contact
Anti Reflection C.
AlInP : p (window)
InGaP : p (emitter)
InGaP : n (base)
AlInGaP : n+ (buffer)
Tunnel diode
AlGaAs : p (window)
InGaAs : p (emitter)
InGaAs : n (base)
I
Queste strutture presentano
una elevata efficienza di
conversione in AM0,
viceversa in Mars 2 la cella
top ha corrente molto bassa
AlGaAs : n+ (buffer)
Tunnel diode
AM0 / 1 sole
Mars
Ge : p (emitter)
Ge : n (base)
Back contact
Disegno non in scala
CESI
AlGaAs : p (window)
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V
GaAs : p (cap)
Risultati simulati
15
Prestazioni relative (efficienza)
1 sole / AM0
MARS1
MARS2
temp. operat.
300 K
300 K
210 K
standard
21.0%
19.8%
27.5%
ottimizzata
DARC mod.
22.5%
20.8%
26.9%
standard
27.4%
24.7%
22.7%
ottimizzata
27.7%
26.1%
25.1%
InGaP/InGaAs/Ge
GaAs/Ge
spectrum
CESI
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Risultati simulati
16
Prestazioni assolute (potenza disponibile)
MARS1 (τ = 0.5)
MARS2 (τ = 2.0)
Ma x P owe r @ BOL vs loc a l hour (MARS 1)
Ma x P owe r @ BOL vs loc al hour (MARS 2)
12
2.5
Ga As /Ge c e ll (ARC modifie d)
InGaP /InGa As /Ge
GaAs /Ge c ell (ARC s ta ndard)
InGaP /InGaAs /Ge
10
power dens ity [mW / cm 2]
power dens ity [mW / cm 2]
2
8
6
4
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
loc al hour a s a fra ction of martian da y
tripla giunzione
CESI
1
0.5
2
0
0.2
1.5
0.9
1
0
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
loc al hour as a fra ction of martia n day
doppia giunzione
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0.65
0.7
Sedimentazione polvere
17
Landis, G.A.
Power Loss
Case
Obscuration
(30 day mission)
Obscuration
(2 yr mission)
Baseline
6.6%
77%
Best
0.5%
22%
Worst
52.2%
89%
"Dust Obscuration of Mars Photovoltaic Arrays”
Acta Astronautica, Vol. 38, No. 11, 1996.
Mars Pathfinder
Materials Adhesion Experiment (MAE)
CESI
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18
H.I.T.
•
•
Nell’ambito del programma ESA, denominato HIT, CESI è stato
coinvolto nello studio di celle solari atte ad operare in condizioni
di alta insolazione e temperatura (HIT)
– Bepi Colombo - 2 satelliti orbitanti attorno a Mercurio
– Solar Orbiter - 1 satellite orbitante vicino al sole (0.2 AU- 25
sc)
MERCURIO:
– Temperatura superficiale
media
179° C
massima 479° C
minima -173° C
– Distanza media dal Sole: 0.387 AU -6.7 sc
– Atmosfera pressoché assente
•
Principali sonde inviate:
Mariner 10 (1974), Messenger (lanciata in agosto, arrivo previsto 2011)
CESI
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Condizioni per le celle solari
19
• Effetti dell’insolazione
• Insolazione massima 25 soli
•
Aumento delle prestazioni
elettriche a patto che:
–
–
• angolo di incidenza variabile
la griglia sia ottimizzata
la temperatura rimanga bassa
La potenza incidente varia con il coseno
dell’angolo di incidenza (0°=normale)
• Effetti della temperatura
• temperatura massima 300 C
•
•
•
CESI
Ad alta temperatura le prestazioni
elettriche diminuiscono
– Coefficienti di temperatura
Stabilità delle celle solari
Recupero del danno da radiazione
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Coefficienti di temperatura:
•
•
Aumentando la
temperatura, le celle solari
a singola e a più giunzioni
hanno efficienza
confrontabile
Sopra i 150 C il Ge è
inattivo
–
•
temperatura di intrinseco
I migliori coefficienti di
temperatura sono correlati
a celle solari basate su
semiconduttori ad alto gap
(InGaP)
Tipo
Eff (25 C) Eff (300 C)
19%
8%
GaAs SJ
14%
6%
InGaP SJ
25%
9%
TJ
CESI
25.00
-0.061%/C
23.00
21.00
-0.049%/C
19.00
Efficiency (%)
20
-0.040%/C
17.00
15.00
13.00
-0.032%/C
11.00
9.00
7.00
5.00
0
50
100
150
200
250
300
350
Temperature (C)
GaAs SJ
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DJ+
InGaP top
TJ
21
Stabilità termica
GaAs single junction
Time
(hours)
1199
∆ Isc
%
-0.3
∆ Voc
%
-1.5
∆ FF
%
-9.2
∆ Pm
%
-11.2
InGaP single junction
1199
-5.7
2.9
-4.6
-7.4
InGaP/GaAs/Ge DJ-plus
1123
-1.9
0.9
-6.3
-3.7
Triple junction
1274
-6.3
-0.4
-5.2
-11.5
SCA with triple junction
962
-1.8
0
-0.2
-2.0
Type
Test conditions: 300°C @ 10-4 mbar
CESI
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22
Recupero del danno da radiazione
Pm remaining factor
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
BOL
EOL
SJ 200°C
MJ 200°C
CESI
1 hour
47 hours
SJ 250°C
MJ 250°C
71 hours
• Il danno è recuperato al
90%
• Aumentando la
temperatura il recupero
è più veloce
• Le celle a MJ
recuperano meglio delle
celle a singola
giunzione
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Effetti dell’angolo di incidenza sulle
celle solari e singola e a
multigiunzione
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•La diminuzione della corrente fotogenerata è maggiore di quanto ci si
aspetta usando la legge del coseno - legge del coseno modificata
{
I γ = I 0° ⋅ cos γ ⋅ [1 − cos γ ]
k
}
⇒La variazione dell’angolo di incidenza
può modificare la cella limitante
Emitter layer
inficiando l’andamento EOL
Base layer
TOP
CELL
Diodo tunnel
Emitter layer
Base layer
BOTTOM
CELL
⇒ Il rivestimento antiriflettente è ottimizzato per incidenza normale
CESI
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Progetto della griglia
24
Standard grid
Efficiency (%)
22
20
Griglia
ottimizzata
18
16
Griglia standard
14
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Concentration Ratio
Distanza fra i
rebbi
Larghezza del
rebbio
CESI
Corrente fotogenerata
Lunghezza della cella
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Celle solari per missioni
interplanetarie
25
• Le celle solari hanno dimostrato la loro applicabilità in
missioni interplanetarie vicine e lontane dal sole
• Per massimizzare la potenza prodotta, è necessario
ottimizzare i dispositivi alla luce delle condizioni
operative
• La maggiore criticità per missioni sul suolo di Marte è
rappresentata dallo spettro variabile
• Per missioni vicine a Mercurio e al Sole le maggiori
difficoltà sono correlate alla stabilità termica dei
dispositivi
CESI
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