Cycle thermique des cellules solaires pour applications spatiales selon les normes ECSS et ST 08C

à Les panneaux solaires technologie photovoltaïque figurent parmi les sources d'énergie les plus propres et les plus sûres à notre disposition.

Cependant, peu de gens savent que le aérospatial utilise largement les cellules solaires pour répondre aux besoins énergétiques des objets en orbite.

Ces cellules solaires doivent être testées de manière approfondie avant d'être utilisées en orbite, et les cycles thermiques en chambre environnementale font partie des tests obligatoires exigés par les normes internationales. 

Mais procédons dans l'ordre.

À quoi servent les cellules solaires spatiales ?.

L'alliance entre la technologie photovoltaïque et le secteur aérospatial est aussi ancienne que la conquête spatiale elle-même. En effet, la technologie photovoltaïque a été développée au milieu du siècle dernier, et Vanguard 1, le premier satellite américain, lancé en orbite en 1958, était déjà équipé de six microcellules produisant 1 watt de puissance électrique.

Depuis lors, la technologie a fait de grands progrès et chaque satellite a utilisé des modèles photovoltaïques de plus en plus efficaces et durables.

Aujourd'hui, les satellites doivent rester en orbite pendant 10 à 15 ans. Afin de garantir la rentabilité de l'investissement, tous les composants d'un satellite doivent être rigoureusement testés avant son lancement.

Les panneaux solaires qui garantissent l'autosuffisance énergétique ne font pas exception, et leur production est réglementée par une série d'organisations internationales.

En Europe, nous avons l'ECSS.

des tests
extrêmes

Découvrez la nouvelle gamme d'enceintes environnementales pour essais en climat contrôlé.
En savoir plus.

La norme ECSS E ST 08C relative au cyclage thermique des cellules solaires

La Coopération européenne pour la normalisation spatiale, abrégée en ECSS, a été fondée en 1993 et ​​est chargée d'élaborer des normes internationales qui servent de référence tant pour les missions spatiales européennes que pour celles des agences spatiales des pays membres.

La norme ECSSE ST 08C est l'une de ces normes et traite des tests auxquels doivent être soumises les technologies photovoltaïques destinées à un usage spatial.

Les panneaux solaires des satellites sont ensuite divisés en composants suivants : assemblages photovoltaïques, assemblages de cellules solaires, cellules solaires nues, verres de protection pour cellules solaires et diodes de protection.

Il est recommandé de réaliser des tests de cyclage thermique sur les cellules solaires nues et sur le verre de protection des cellules solaires.

Quel est l'objectif des cycles thermiques sur les cellules solaires ?

Les satellites en orbite doivent survivre pendant plus de dix ans dans un climat très particulier, soumis à des variations de température extrêmes et soudaines.

Le test climatique appelé cyclage thermique simule ce type de conditions dans une chambre climatique . Nous l'avons décrit en détail ici.

Quant à son application aux cellules solaires destinées à des usages spatiaux, les cycles thermiques devront être répétés le nombre de fois prescrit par la norme susmentionnée afin de simuler l'effet qu'une année entière en orbite aura sur le satellite.

Vous n'arrivez pas à trouver la salle idéale pour vos répétitions ?

Créez votre environnement directement en ligne, en fonction de vos besoins spécifiques.
En savoir plus.

Chambre environnementale FDM pour les tests de cyclage thermique sur les cellules solaires

Les chambres environnementales FDM sont l'outil idéal pour réaliser des tests de température extrêmes tels que les cycles thermiques sur des cellules solaires de qualité spatiale.

Elles disposent d'une plage de température allant de -70°C à +180°C contrôle de l'humidité relative de 10 % à 98 %.

De plus, ils disposent en standard d'une vitesse de chauffage de 5°/min et d'une vitesse de refroidissement de -4°/min, mais ces paramètres peuvent être personnalisés selon les demandes du client.

Grâce au pratique revoFACE, il est également possible de programmer le processus.

Pour toute question ou préoccupation supplémentaire, n'hésitez pas à nous contacter.

Vous avez besoin d'un devis ou vous avez des questions sur le produit ?

Contactez
-nous pour plus d'informations sur ce produit.

Normes de référence

• ECSS-E-ST-20-08C Rev.1 — Assemblages et composants photovoltaïques, norme principale de l'ESA pour les tests de qualification des cellules solaires spatiales.
• ECSS-E-ST-10-03C — Essais, norme générale de l'ESA pour les essais environnementaux des équipements spatiaux.
• ECSS-Q-ST-70-02C — Test de dégazage thermique sous vide pour le contrôle des matériaux spatiaux.
• AIAA S-111A-2014 — Exigences de qualification et de qualité pour les cellules solaires spatiales, norme américaine complémentaire.
• Série IEC 60904 — Dispositifs photovoltaïques – Partie 1 (mesure IV), Partie 3 (irradiance spectrale solaire de référence AM1.5G).
• ASTM E595-15 — Perte de masse totale et matières volatiles condensables collectées lors du dégazage sous vide.
• NASA-STD-6016 — Exigences standard en matière de matériaux et de procédés pour les engins spatiaux, référence NASA.

Sources faisant autorité

• ECSS – Coopération européenne pour la normalisation spatiale. Système de normalisation coopératif entre l'ESA et l'industrie européenne, il gère la série ECSS-E pour l'ingénierie.
• ESA – Agence spatiale européenne. L’Agence spatiale européenne est le principal utilisateur des normes ECSS pour la qualification des missions et du matériel.
• La NASA, agence spatiale américaine, publie la norme NASA-STD-xxxx, complémentaire à l'ECSS pour le matériel spatial.
• IEC TC 82 – Systèmes d'énergie solaire photovoltaïque. Comité technique de la CEI pour la normalisation des dispositifs photovoltaïques.

Questions fréquentes sur les cycles thermiques des cellules solaires spatiales

Combien de cycles thermiques la norme ECSS-E-ST-20-08C prescrit-elle ?

Le nombre de cycles dépend de la mission et de l'orbite du satellite. Pour les missions en orbite terrestre basse (LEO) , généralement à une altitude de 400 à 800 km, le satellite effectue environ 15 orbites par jour, avec des passages à l'ombre et au soleil d'une durée de 35 à 45 minutes chacun, soit 5 500 cycles par an. Pour une durée de vie de 10 à 15 ans, des tests de qualification impliquant 30 000 à 80 000 cycles thermiques entre -150 °C et +100 °C (ces valeurs extrêmes dépendant de l'orbite) sont nécessaires. Pour les missions en orbite géostationnaire (GEO) , le rythme est d'un cycle par jour (pendant les équinoxes, avec passages à l'ombre), soit un total de 1 300 à 2 500 cycles sur 15 ans, avec des variations de température moins importantes (de -100 °C à +80 °C). Les missions spatiales lointaines avec survol ou en position libre peuvent nécessiter des cycles sur des plages de températures extrêmes de -180/+150 °C, avec une numérotation spécifique. La norme ECSS-E-ST-20-08C prescrit un coefficient de sécurité de 1,25 sur le nombre nominal de cycles pour la qualification de type.

Quels paramètres électriques sont mesurés avant/après le cycle de chauffage ?

Les cellules solaires spatiales sont caractérisées par une courbe I-V sous conditions AM0 (Masse d'air zéro, spectre extraterrestre de 1367 W/m²) avant et après cyclage thermique. Les paramètres surveillés sont : le courant de court-circuit I_{_sc} (sensible à la dégradation optique des fenêtres antireflets), la tension en circuit ouvert V_{_oc} (fonction de la température de jonction et de la qualité du matériau), la puissance au point de puissance maximale P_{_max} et le facteur de remplissage FF (dépendant de la qualité de la jonction et de la résistance série). La norme ECSS exige une dégradation de P _{_max} inférieure à 2 % après qualification. La résistance shunt R_{_sh} et la résistance série R_s</sub> <sub> sont également mesurées afin de détecter les microfissures ou le délaminage des contacts. Le test est réalisé avec un simulateur solaire AM0 de classe A+A+A+, calibré avec une cellule de référence étalonnée NASA/ESA. La température de l'échantillon est maintenue à 28 ± 1 °C et les temps d'acquisition sont inférieurs à 100 ms afin d'éviter tout échauffement. Les cellules à triple jonction GaInP/GaAs/Ge actuelles ont une efficacité de 30 à 32 % en début de vie et doivent maintenir > 80 % en fin de vie (15 ans).

Comment simule-t-on le vide spatial dans une chambre environnementale ?

Les tests ECSS intègrent les cycles thermiques au vide thermique (TVAC). Le test ECSS-E-ST-10-03C requiert une pression inférieure à 10⁻⁵^mbar pour simuler un environnement orbital. Les chambres TVAC combinent des pompes rotatives, turbomoléculaires et ioniques avec un piège cryogénique pour atteindre 10⁻⁷^mbar . Le contrôle thermique est assuré par des enveloppes en cuivre_LN₂ ) ou à l'hélium gazeux (GHe), et par des lampes radiantes ou des résistances pour le chauffage, permettant une plage de températures de -180 °C à +150 °C. Le test TVAC combine la mission de référence thermique (TRM) avec un nombre réduit de cycles (8 à 20) pour la qualification du système, suivie de tests de cyclage thermique à l'air (ECSS-E-ST-20-08C) avec un nombre de cycles beaucoup plus élevé, mais un contrôle du dégazage moins poussé. L'intégration des deux approches qualifie pleinement le système. Les chambres de la gamme environnementale FDM (-70 °C à +180 °C) permettent de réaliser des tests de cyclage thermique autonomes, conformément aux spécifications ECSS. Pour une TVAC complète, des chambres thermiques sous vide dédiées, dotées d'une technologie spatiale spécifique, sont nécessaires.

Quels matériaux auxiliaires (adhésifs, lamelles de protection) doivent être qualifiés ?

L'assemblage d'une cellule solaire spatiale comprend une cellule nue, un verre de protection (généralement du CMG – verre micro-feuille dopé au cérium, d'une épaisseur de 100 à 200 µm) avec filtre UV, un adhésif optique (silicone DC93-500, RTV-S691) et des diodes de dérivation. Tous les matériaux doivent satisfaire à la norme ASTM E595 relative au dégazage : perte de masse totale (TML) < 1 % et teneur en composés volatils condensables (CVCM) < 0,1 %. Les tests ECSS-Q-ST-70-02C sont réalisés à 125 °C pendant 24 heures sous un vide de 10⁻⁶ ^mbar , avec un doigt froid à 25 °C pour la collecte des composés volatils. Chaque matériau doit également être qualifié pour : sa résistance aux rayonnements protoniques/électroniques (fluence MeV équivalente à la dose de mission), sa résistance aux UV sous vide (test VUV) et sa compatibilité avec l'oxygène atomique (AO) pour l'orbite terrestre basse (LEO). L'homologation requiert l'inscription dans la base de données ESCIES (ESA) ou MAPTIS (NASA). Le cycle thermique évalue l'intégrité du stratifié (cellule + lamelle de verre) en vérifiant l'absence de fissures dans la lamelle, de décollement de l'adhésif et de fractures au niveau des points de contact.