Cuando hay más energía de la necesaria, ¿los satélites fotovoltaicos están en derivación o en circuito abierto?

Vi la palabra "derivaciones" en esta respuesta sobre los conjuntos fotovoltaicos mejorados de DSCOVR cuando se desconectó y se preparó para el espacio. Al leerlo, tengo la idea de que las derivaciones se usan para disipar la diferencia de potencia entre lo que necesita el satélite y lo que produce la matriz.

En esta respuesta , que en realidad trata sobre los PV de silicio en la ISS, se menciona que cuando los conjuntos completos están fuera de línea, se calientan más, y supongo que esto se debe a que se dejan en circuito abierto y, por lo tanto, todos los portadores de agujeros de electrones permanecen. en la unión y se recombinan, devolviendo su energía en forma de calor.

Y también me pregunto si necesita menos de la cantidad total de energía, si tuviera una fuente de alimentación conmutada moderna para acondicionar el voltaje, ¿no consumiría menos corriente, en lugar de la corriente completa y desviaría algo a un gran resistencia caliente?

Entonces, para reducir la pregunta, debería preguntar sobre diseños modernos y satélites construidos y lanzados recientemente. Estoy pensando en satélites de comunicaciones, pero dado que DSCOVR recibió un sistema modernizado, también está bien. Por supuesto, si hay algo más convincente, está bien, pero la ISS puede ser una pregunta aparte porque hay problemas de legado y compatibilidad.

Tercera opción: ¿rotarlos para captar menos luz solar? Esto los mantendría más frescos.

Respuestas (2)

No estaba seguro de si tu última oración significaba que no querías oír hablar de la ISS, pero en caso de que sí, en el caso de la ISS, están desviados. El dispositivo que maneja esto es la Unidad de derivación secuencial (SSU). La SSU es el dispositivo de regulación de energía principal que controla la salida del Solar Array Wing (SAW). Hay una SSU por canal de alimentación/SAW. La función de la SSU es administrar la salida de las celdas solares para producir 160 V CC. La SSU mantiene este voltaje al equilibrar la demanda del sistema con la cantidad de cadenas de arreglos conectadas en la SAW. Cada cadena de matriz se puede conectar o desconectar individualmente del bus de alimentación principal, por lo que la salida de la SSU es la suma de todas las cadenas conectadas en un momento dado. Las cadenas de arreglos que están desconectadas del sistema de alimentación se derivan (en cortocircuito de regreso al arreglo mismo).

Un gráfico de alto nivel de aquí .

ingrese la descripción de la imagen aquí

Por si sirve de algo, la SSU en el canal de alimentación 3A sufrió un cortocircuito en mayo de 2014, lo que provocó la pérdida de su canal de alimentación asociado (1 de 8). Fue reemplazado durante un EVA en octubre de 2014.

¡Claro que me encantaría saberlo! Debí haber hecho una pregunta separada para esto, porque el sistema de energía de la ISS es único en su enormidad, complejidad y ensamblaje a lo largo del tiempo. Tuve el presentimiento de que iba a haber derivaciones aquí. Me pregunto si las derivaciones son menos frecuentes con los satélites más nuevos y de alta potencia.
Entonces, ¿puede conciliar o ayudarme a resolver la idea mencionada aquí de que cuando algunos paneles no se usan por completo, se calientan más? Porque me parece que sugiere que tendrían que dejarse en circuito abierto para que eso suceda. ¿Se usan derivaciones solo cuando se necesita energía pero hay demasiada, y de lo contrario se dejan en circuito abierto?
Si la memoria no me falla, no creo que el "circuito abierto" sea una opción en la SSU. Las descripciones de alto nivel disponibles en línea en documentos como este no son de mucha ayuda. google.com/…
@OrganicMarble es correcto. En un bus de voltaje relativamente alto como el que usa la ISS, el circuito abierto es una condición peligrosa, especialmente para la tripulación en EVA. Tenga en cuenta que las células solares son fuentes de corriente, no fuentes de voltaje, por lo que (dentro de los límites) generarán tanto voltaje como sea posible para entregar una corriente establecida. Para hacerlos seguros, los desvía para que puedan entregar esa corriente a voltaje cero, por lo tanto, energía cero. La parte más caliente en funcionamiento es obvia a partir de un balance de energía a granel. Desafortunadamente, no estoy lo suficientemente versado en micromecánica de semiconductores para explicarlo a nivel micro.
@Tristan Su razonamiento no es correcto: el voltaje de circuito abierto de una celda solar es solo un poco más alto que en el punto de trabajo óptimo, 10-20% más alto. Sin embargo, acortarlos es una buena idea.
@asdfex No estoy seguro de lo que piensas que es incorrecto. Dejar los circuitos de la ISS abiertos en lugar de cortocircuitarlos crea una peligrosa condición de voltaje perdido debido tanto a la cantidad de celdas apiladas en serie (¡más de 160 voltios!) como al entorno de plasma en órbita. Mientras esté operando decentemente por debajo del punto máximo de potencia para una celda, entregará una corriente más o menos constante (sin contar las pérdidas parásitas) para una carga determinada, variando su voltaje de salida para hacerlo.
@Tristan cuando se abren los puntos en un distribuidor de estilo antiguo, el campo magnético en la bobina (aspirante a fuente de corriente) colapsa produciendo un voltaje creciente hasta que el aire se descompone y se forma un arco de alto voltaje. ¡Cualquiera que haya sido sacudido por un cable de bujía viejo puede dar fe! Pero la energía fotovoltaica es probablemente más como una fuente de voltaje con una resistencia interna en serie (y probablemente también en paralelo). El voltaje de circuito abierto nunca será mayor que norte   mi gramo dónde mi gramo es la brecha de banda en mi V y N es el número de celdas en serie. por ejemplo, 60 celdas de silicio dan 70 V máx.
@Tristan Me acabo de referir a "aplicarán tanto voltaje como puedan para entregar una corriente establecida"
@asdfex Por eso dije "dentro de los límites". Si está operando por debajo del punto de máxima potencia, mantendrá una corriente casi constante. Por encima de ese punto, la corriente cae bruscamente. Si un miembro de la tripulación completa el circuito y no tiene una impedancia lo suficientemente alta como para que el circuito se salga de la "rodilla" de la curva IV, obtiene la salida de corriente completa de ese circuito. Es por eso que, para configuraciones de alto voltaje, cortocircuitarlos es la forma más segura de apagar los circuitos.
@uhoh Ver en.wikipedia.org/wiki/… . Una celda solar se comporta como una fuente de corriente ideal en paralelo con un diodo y una resistencia de derivación, con una resistencia en serie añadida. Los fotovoltaicos son esencialmente fuentes de corriente hasta un cierto voltaje, por encima del cual se reducen rápidamente.
@Tristan ya tienes razón, dice eso. Necesito repasar mis modelos equivalentes. ¿El modelo alguna vez predice un voltaje de salida por celda mayor que la brecha de banda? ¿Sucede? Si es así, ¡mejor abro algunos libros y empiezo todo de nuevo!
@uhoh, me estoy saliendo un poco de mi campo de especialización, pero entiendo que la banda prohibida solo es relevante para las longitudes de onda de la luz que resultan en la generación actual. El voltaje de circuito abierto es una función de la corriente generada (que podría variar, por ejemplo, según la intensidad de la iluminación), las propiedades del diodo de la unión pn y la resistencia en serie presente.
Las mentes inquisitivas quieren saber: he preguntado aquí . ¡Esto es realmente interesante!

Esta es solo una respuesta breve que aborda la pregunta principal. Pido disculpas por la respuesta corta, no tengo tiempo en este momento para buscar referencias o una explicación completa, ya que la respuesta proviene de la experiencia.

Tanto los reguladores de derivación como los reguladores en serie (circuito abierto) existen en el diseño de sistemas de energía de satélites no tripulados. Creo que los reguladores en serie son más comunes para satélites más pequeños, aunque no recuerdo la razón de ser del diseño.

Apartes:

  1. Rotación

Si bien no he oído hablar de un ejemplo de diseño real, "rotar para atrapar menos luz solar" mejoraría el enfriamiento, pero presumiblemente tendría que usarse junto con uno de los reguladores para permitir que el voltaje permanezca estable a las cargas cambiantes.

  1. Beneficios

Uno podría ir un paso más allá y ver si nos preocupamos mucho por reducir la temperatura de la matriz. Una matriz más fría suele ser más eficiente, sin embargo, esta pregunta surgió al tratar de comprender la situación de exceso de oferta y, por lo tanto, la eficiencia es irrelevante. Una temperatura prolongada significativamente más alta podría, en principio, conducir a un aumento de defectos y fallas, aunque no he visto que esto se mencione como un factor de degradación para las temperaturas típicas de la matriz.

  1. IR térmico

El video del transbordador que sale de la ISS al que está vinculado desde uno de los enlaces en la pregunta es curioso. Es realmente interesante ver que las matrices parecen tener un patrón de rayas. Esto podría indicar secciones trabajando a diferentes temperaturas debido a la acción del regulador. Esto podría ocurrir en un regulador en serie, pero esto es inconsistente con la afirmación de un regulador de derivación de la respuesta de Organic Marble. Por supuesto, no sabemos dónde están las cargas de derivación. Es posible que si la derivación es un cortocircuito directo, las celdas en sí mismas sean la carga de la derivación y las secciones no utilizadas aún puedan calentarse más que las secciones conectadas. En algunos satélites, quizás donde las dimensiones son menores, las cargas de derivación pueden proporcionar un mantenimiento térmico útil para otras partes del satélite.

Agradezco tu respuesta, gracias! Tratar de comprender los problemas y lo que realmente está sucediendo con estos sistemas, esto da más en qué pensar, por lo que es útil. No sé si los cambios de temperatura de la matriz inducidos eléctricamente tenían algún propósito, o si solo era un efecto que podía verse en las imágenes térmicas como una forma de ilustrar un efecto en una respuesta.
En lo que respecta al diseño de una matriz, creo que es lo último, recuerde que el enfriamiento ocurre cuando la cadena está en circuito abierto y, por lo tanto, su beneficio de enfriamiento no tiene utilidad, excepto posiblemente por conducción térmica lateral de una cadena adyacente que todavía está conectado a una carga. En este caso, parece un largo camino para obtener un beneficio que podría obtenerse más fácilmente manteniendo todas las cadenas en el circuito en primer lugar.
En el video infrarrojo, las "rayas" posiblemente se deban a las bisagras entre los paneles. Estas bisagras son de aluminio con un pasador de bisagra de acero inoxidable y ciertamente tendrían características térmicas diferentes a las de los paneles mismos. Puede ver las bisagras en funcionamiento a medida que se despliegan los paneles en este video de una matriz que se está desplegando. Alrededor de las 2:30 en el video hay un buen primer plano. youtube.com/watch?v=XRXbi3sQKWc
Cuando hay más energía de la necesaria, ¿los satélites fotovoltaicos están en derivación o en circuito abierto?
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