¿Qué criterios dictan el diseño de paneles solares?

Entonces, cuando trabaja en el diseño de un panel solar, tiende a comenzar en el nivel superior. Su requisito fundamental es la cantidad de área de panel que necesita, y esto se determina en función de los requisitos de su misión para:

• Generación de energía. ¿Cuánta energía necesito generar?
• Distancia desde el sol. ¿Cuánta energía solar llega a mi nave espacial (en el punto más lejano)?
• Ángulo de incidencia. De esa energía, ¿cuánta se espera que se transfiera a mi panel? A esto se le suele dar un valor supuesto en las primeras etapas. Vale la pena señalar que esto no siempre es de 90 grados, ya que algunas naves espaciales ( por ejemplo, BepiColombo ) inclinan deliberadamente sus paneles por razones térmicas.
• Eficiencia del panel/matriz solar. ¿Qué parte de la energía solar que golpea mis paneles se convierte en electricidad y qué parte de esa electricidad llega a mi sistema de energía/almacenamiento?
• Combinación de la duración de la misión y la tasa de degradación del panel. Las células solares pierden eficiencia con el tiempo, por lo que debe calcular el área que necesitará al final planificado de su misión y no al comienzo.
• Margen. Dependiendo de dónde esté trabajando, es probable que tenga un estándar sobre cuánto margen aplicar y dónde aplicarlo. Esto generalmente agregará un porcentaje al área calculada como segura.

Estos factores determinan el requisito de área preliminar aproximado, probablemente pueda editar algunas fórmulas en mi respuesta en una fecha posterior si lo deseo.

Una vez que tenga esta área, y se conozca más sobre el diseño de su nave espacial, desarrollará aún más el diseño. La pregunta parece centrarse en la forma/apariencia de los paneles solares, por lo que me centraré en eso y no abordaré los detalles más finos de los diseños eléctricos, térmicos o estructurales, ya que ninguno de estos es algo en lo que tengo mucha experiencia.

Desde el punto de vista de la forma, el desafío es cómo encajar esta área que necesita en la configuración de la nave espacial. Diría que tres aspectos impulsan el diseño desde este punto de vista.

1. Lanzamiento. Su s/c tiene que encajar en el vehículo de lanzamiento y/o el implementador. Esto significa que los paneles, si son grandes, deben plegarse en un área lo suficientemente pequeña para que quepan. El área disponible dentro del vehículo de lanzamiento que avanza o se despliega impulsa el diseño de plegado del panel. Un ejemplo simple: los CubeSats se implementan desde lo que es esencialmente una caja con rieles conocida como P-POD, que tiene un pequeño margen en cada borde en el que se pueden plegar los paneles. Por lo tanto, los paneles plegados (si se pueden desplegar) deben ser más pequeños que el tamaño de un lado del satélite y más delgados que el margen entre el satélite y el borde del P-POD. En general, si se debe colocar un área más grande en un sobre más pequeño, se debe usar un método de plegado más complejo o reducir el área.
2. Operaciones. ¿Hacia dónde apuntará el satélite en el espacio y qué pueden bloquear/no bloquear los paneles al hacer esto? No puede colocar el panel donde bloqueará, por ejemplo, la vista de la cámara que su s/c está usando para la ciencia. Otro ejemplo es que algunos métodos de propulsión eléctrica podrían causar una degradación extrema si colocara el panel en el escape del motor. Al mismo tiempo, debe asegurarse de que los paneles no estén a la sombra de la nave espacial (cuando sea posible) y que tengan el ángulo de incidencia correcto con el sol. Esto determina la ubicación en la que se colocan los paneles en la nave espacial, su forma cuando se despliegan y si es necesario un conjunto de accionamiento de matriz solar (SADA) para orientar los paneles.
3. Riesgo y complejidad (y costo asociado). Cuantas más partes móviles, más cosas pueden salir mal en una misión. Esta es la razón por la que muchos CubeSat pequeños optan por operar con paneles solares montados en el cuerpo si sus requisitos de energía lo permiten, ya que así evitan el costo, la complejidad y el riesgo asociados con el despliegue de paneles solares. Otra medida que se toma a menudo es que el "plegado" de las matrices desplegables se realiza de modo que, cuando se plieguen, la parte exterior de la matriz sea capaz de generar energía, incluso si falla el despliegue. El diseñador debe considerar qué tan "arriesgado" es el diseño, que a menudo se basa en si el diseño o uno similar se ha volado en un s / c anterior y en qué medida. De manera similar, cuanto más complejo o innovador sea el diseño, generalmente mayores serán los costos asociados con la realización de este diseño.

Con base en estas tres consideraciones y otras (p. ej., la temperatura, ya que las cosas que apuntan al sol tienden a calentarse mucho en el espacio), generalmente realizaría una compensación para determinar el "mejor" diseño para su caso de uso al sopesar el varios factores. Me doy cuenta de que esta respuesta es bastante vaga, ya que hay muchos criterios a considerar al desarrollar un diseño de configuración detallado, ¡pero espero que esto responda a su pregunta!

Editar: Otro aspecto más de nicho que olvidé es el arrastre. La atmósfera de la Tierra (o de cualquier planeta con la suya) crea resistencia en una nave espacial, lo que hace que se reduzca en la altitud de la órbita con el tiempo. Para las naves espaciales que orbitan cerca de la Tierra, los grandes paneles solares podrían reducir en gran medida la duración de la misión o aumentar los requisitos de propulsión. Las naves espaciales en órbitas extremadamente bajas tienden a preferir paneles solares montados en el cuerpo o más pequeños por ese motivo. Esto también afecta las consideraciones de configuración, ya que los paneles asimétricos introducen un (pequeño) momento en el s/c. La presión de la radiación solar puede tener un efecto similar, introduciendo también una fuerza sobre los paneles y s/c.