Thermischer Zyklus von Solarzellen für Weltraumanwendungen gemäß ECSS und ST 08C

mit Solarpaneele Photovoltaik-Technologie zählen zu den saubersten und sichersten Energiequellen, die uns zur Verfügung stehen.

Nicht jeder weiß jedoch, dass der Luft- und Raumfahrtsektor Solarzellen in großem Umfang nutzt, um den Energiebedarf von Objekten im Orbit zu decken.

Diese Solarzellen müssen vor ihrem Einsatz im Weltraum gründlich getestet werden, und zu den obligatorischen Tests, die durch internationale Normen vorgeschrieben sind, gehört die Temperaturwechselprüfung in einer Klimakammer

Aber gehen wir der Reihe nach vor.

Wozu werden Weltraumsolarzellen verwendet?.

Die Verbindung zwischen Photovoltaik und Raumfahrt ist so alt wie der Wettlauf ins All selbst. Tatsächlich wurde die Photovoltaik bereits Mitte des letzten Jahrhunderts entwickelt, und Vanguard 1, der erste US-amerikanische Satellit, der 1958 in die Umlaufbahn gebracht wurde, war bereits mit sechs Mikrozellen ausgestattet, die ein Watt elektrische Leistung erzeugten.

Seitdem hat die Technologie große Fortschritte gemacht, und jeder Satellit verwendet zunehmend effizientere und langlebigere Photovoltaik-Modelle.

Heutzutage müssen Satelliten 10 bis 15 Jahre im Orbit verbleiben. Um sicherzustellen, dass die Investition nicht verschwendet wird, müssen alle Satellitenkomponenten vor dem Start strengen Tests unterzogen werden.

Auch die Solarpaneele, die die Energieautarkie , bilden keine Ausnahme, und ihre Produktion wird von einer Reihe internationaler Organisationen reguliert.

In Europa haben wir die EGSS.

Führe extreme Tests durch

Entdecken Sie die neue Serie von Klimakammern für kontrollierte Klimatests.
Erfahren Sie mehr.

Der ECSS E ST 08C-Standard für die thermische Zyklisierung von Solarzellen

Die Europäische Kooperation für Weltraumnormung, abgekürzt ECSS, wurde 1993 gegründet und ist für die Entwicklung internationaler Standards verantwortlich, die als Referenz sowohl für europäische Weltraummissionen als auch für die der Weltraumagenturen der einzelnen Mitgliedsländer dienen.

ECSSE ST 08C ist einer dieser Standards und befasst sich mit den Tests , denen Photovoltaik-Technologien für den Einsatz im Weltraum unterzogen werden müssen.

Satelliten-Solarpaneele werden dann in folgende Komponenten unterteilt: Photovoltaik-Baugruppen, Solarzellen-Baugruppen, ungeschützte Solarzellen, Solarzellen-Schutzgläser und Schutzdioden.

Für ungeschützte Solarzellen und Solarzellenschutzglas wird eine thermische Zyklenprüfung empfohlen

Welchen Zweck hat die thermische Zyklisierung von Solarzellen?

Satelliten im Orbit müssen über zehn Jahre in einem ganz bestimmten Klima überleben, das extremen und plötzlichen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.

Der als thermische Zyklisierung bekannte Klimatest simuliert diese Art von Bedingungen in einer Klimakammer . Wir haben ihn hier ausführlich beschrieben.

Was die Anwendung auf Solarzellen für den Einsatz im Weltraum betrifft, müssen die thermischen Zyklen so oft wiederholt werden, wie es die oben genannte Norm vorschreibt, um die Auswirkungen eines ganzen Jahres im Orbit auf den Satelliten zu simulieren.

Sie finden nicht den perfekten Raum für Ihre Proben?

Gestalten Sie Ihre Umgebung direkt online, ganz nach Ihren individuellen Bedürfnissen.
Erfahren Sie mehr.

Die FDM-Umweltkammer für Temperaturwechseltests an Solarzellen

FDM-Klimakammern sind das ideale Werkzeug zur Durchführung von Extremtemperaturtests wie z. B. Temperaturwechseltests an Solarzellen in Raumfahrtqualität.

Sie verfügen über einen Temperaturbereich von -70°C bis +180°C und eine relative Luftfeuchtigkeitsregelung von 10% bis 98%.

Darüber hinaus verfügen sie standardmäßig über eine Aufheizrate von 5°/min und eine Abkühlrate von -4°/min, die jedoch auf Kundenwunsch weiter angepasst werden können.

Dank des praktischen revoFACEist es auch möglich, den Prozess zu programmieren.

Bei weiteren Fragen oder Anliegen zögern Sie bitte nicht, uns zu kontaktieren.

Benötigen Sie ein Angebot oder haben Sie Fragen zum Produkt?

Kontaktieren
Sie uns für weitere Informationen zu diesem Produkt.

Referenzstandards

• ECSS-E-ST-20-08C Rev.1 — Photovoltaische Baugruppen und Komponenten, ESA-Hauptstandard für Qualifizierungstests von Weltraumsolarzellen.
• ECSS-E-ST-10-03C — Prüfung, ESA-Standard für Umweltprüfungen von Weltraumausrüstung.
• ECSS-Q-ST-70-02C — Thermischer Vakuumausgasungstest zur Prüfung von Weltraummaterialien.
• AIAA S-111A-2014 — Qualifikations- und Qualitätsanforderungen für Weltraumsolarzellen, ergänzender amerikanischer Standard.
• IEC 60904 Reihe — Photovoltaische Bauelemente – Teil 1 (Messung IV), Teil 3 (Referenz-Sonnenspektralbestrahlung AM1.5G).
• ASTM E595-15 — Gesamtmasseverlust und gesammelte flüchtige kondensierbare Stoffe aus der Ausgasung im Vakuum.
• NASA-STD-6016 — Standard Materials and Processes Requirements for Spacecraft, reference NASA.

Autoritative Quellen

• ECSS – Europäische Kooperation für Weltraumstandardisierung. Ein gemeinsames Normensystem der ESA und der europäischen Industrie, das die ECSS-E-Normenreihe für Ingenieurwesen verwaltet.
• ESA – Europäische Weltraumorganisation. Die Europäische Weltraumorganisation ist der Hauptnutzer der ECSS-Standards für Missionen und die Qualifizierung von Hardware.
• NASA. Die US-amerikanische Raumfahrtbehörde veröffentlicht NASA-STD-xxxx als Ergänzung zu ECSS für Raumfahrthardware.
• IEC TC 82 – Solare Photovoltaik-Energiesysteme. Technisches Komitee der IEC für die Normung von Photovoltaik-Bauelementen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Temperaturzyklen in Weltraumsolarzellen

Wie viele Temperaturzyklen schreibt ECSS-E-ST-20-08C vor?

Die Anzahl der Zyklen hängt von der Mission und der Umlaufbahn des Satelliten ab. Bei LEO-Missionen (Low Earth Orbit), typischerweise in einer Höhe von 400–800 km, absolviert der Satellit etwa 15 Erdumrundungen pro Tag, wobei die Schatten- und Sonnendurchgänge jeweils 35–45 Minuten dauern. Dies entspricht 5.500 Zyklen pro Jahr. Für eine Lebensdauer von 10–15 Jahren sind Qualifikationstests mit 30.000–80.000 Temperaturzyklen Missionen (Geostationary Orbit) beträgt die Rate einen Zyklus pro Tag (während der Tagundnachtgleichen mit Schattendurchgängen), was insgesamt 1.300–2.500 Zyklen über 15 Jahre ergibt, wobei die Temperaturschwankungen (-100 °C bis +80 °C) geringer ausfallen. Missionen im Tiefraum mit Vorbeiflug oder freier Lageregelung können Zyklen über extreme Temperaturbereiche von -180 °C bis +150 °C mit entsprechender Nummerierung erfordern. ECSS-E-ST-20-08C schreibt einen Sicherheitsfaktor von 1,25x auf die nominelle Anzahl der Zyklen für die Typqualifizierung vor.

Welche elektrischen Parameter werden vor/nach dem Heizzyklus gemessen?

Weltraumsolarzellen werden vor und nach thermischer Zyklisierung mittels einer Strom-Spannungs-Kennlinie unter AM0-Bedingungen (Luftmasse Null, extraterrestrisches Spektrum 1367 W/m²) charakterisiert. Die überwachten Parameter sind: Kurzschlussstrom I_{_sc} (empfindlich gegenüber optischer Degradation der Antireflexionsfenster), Leerlaufspannung V_{_oc} (abhängig von der Sperrschichttemperatur T_j und der Materialqualität), maximale Leistung P_max</sub> <sub> und Füllfaktor FF (abhängig von der Sperrschichtqualität und dem Serienwiderstand). Für die ECSS-Zertifizierung ist eine Degradation von P _{_max} von < 2 % nach der Qualifizierung erforderlich. Zusätzlich werden der Shuntwiderstand R_{_sh} und der Serienwiderstand R_{_s} gemessen , um Mikrorisse oder Kontaktablösungen zu erkennen. Der Test wird mit einem AM0-Klasse-A+A+A+-Sonnensimulator durchgeführt, der mit einer NASA/ESA-kalibrierten Referenzzelle kalibriert ist. Die Probentemperatur wird auf 28 ± 1 °C geregelt, und die Messzeiten betragen < 100 ms, um eine Erwärmung zu vermeiden. Aktuelle GaInP/GaAs/Ge-Dreifachzellen weisen zu Beginn der Lebensdauer (BOL) einen Wirkungsgrad von 30-32 % auf und müssen bis zum Ende der Lebensdauer (EOL, 15 Jahre) einen Wirkungsgrad von > 80 % beibehalten.

Wie wird das Vakuum des Weltraums in einer Klimakammer simuliert?

Die ECSS-Tests integrieren Temperaturwechseltests mit thermischem Vakuum (TVAC) . ECSS-E-ST-10-03C erfordert einen Druck < 10⁻⁵ ^mbar , um eine orbitale Umgebung zu simulieren. TVAC-Kammern kombinieren Drehschieberpumpen, Turbomolekular- und Ionenpumpen mit einer Kryofalle, um 10⁻⁷ ^mbar zu erreichen . Die Temperaturregelung erfolgt über mit flüssigem Stickstoff ( _LN₂) oder Erdölhelin (GHe) gekühlte Kupferhüllen und Strahlungslampen oder Widerstände zur Heizung, wodurch ein Bereich von -180 °C bis +150 °C ermöglicht wird. Der TVAC-Test kombiniert die thermische Referenzmission (TRM) mit einer reduzierten Anzahl von Zyklen (8–20) zur Systemqualifizierung, gefolgt von Temperaturwechseltests in Luft (ECSS-E-ST-20-08C) mit deutlich mehr Zyklen, aber weniger strenger Ausgasungskontrolle. Die Integration beider Ansätze qualifiziert das System vollständig. FDM-Umgebungsbereichskammern (-70 °C bis +180 °C) unterstützen eigenständige Temperaturwechseltests gemäß ECSS. Für ein vollständiges TVAC sind spezielle Vakuum-Thermalkammern mit spezifischer Weltraumtechnologie erforderlich.

Welche Hilfsmaterialien (Klebstoffe, Deckgläser) müssen qualifiziert sein?

Die Baugruppe einer Weltraumsolarzelle umfasst eine unbeschichtete Zelle, ein Deckglas (typischerweise CMG – Cer-dotiertes Mikroglas, 100–200 µm dick) mit UV-Filter, optischen Klebstoff (Silikon DC93-500, RTV-S691) und Bypass-Dioden . Alle Materialien müssen die Anforderungen der ASTM E595 hinsichtlich Ausgasung erfüllen: Gesamtmasseverlust (TML) < 1 % und gesammelte flüchtige kondensierbare Stoffe (CVCM) < 0,1 % . Die Tests nach ECSS-Q-ST-70-02C werden bei 125 °C über 24 Stunden in einem Vakuum von ^10⁻⁶ mbar mit einem Kühlfinger bei 25 °C zur Sammlung flüchtiger Stoffe durchgeführt . Jedes Material muss außerdem folgende Eigenschaften aufweisen: Beständigkeit gegen Protonen-/Elektronenstrahlung (MeV-Fluenz entsprechend der Missionsdosis), UV-Beständigkeit im Vakuum (VUV-Test) und Kompatibilität mit atomarem Sauerstoff (AO) für den erdnahen Orbit (LEO). Die Zulassung setzt die Aufnahme in die ESCIES-Datenbank (ESA) oder die MAPTIS-Datenbank (NASA) voraus. Der Temperaturzyklus dient der Beurteilung der Integrität des Laminats (Zelle + Deckglas) durch Überprüfung auf Risse im Deckglas, Klebstoffablösung und Brüche an den Klebestellen.