Historia de la energía solar espacial
La energía solar espacial fue decisiva en el perfeccionamiento de la célula solar de silicio moderna. Esto se debe a que es muy costoso llevar baterías al espacio, pero generar energía directamente con la radiación solar es un proceso mas rentable, a pesar de que la célula solar era bastante cara para la época.
Artículo traducido y adaptado por Vladimir Pulgarín del curso “Introduction to solar cells“.
El primer uso de las células solares en el espacio fue en el Vanguard I en 1958. Después de este hito tan importante vinieron otros satélites que implementaron las células solares como el Explorer one, el satélite Telstar, Skylab, entre otros.
Es importante anotar que en aplicaciones espaciales el costo monetario de la célula solar no es lo más importante, sino su eficiencia. Por eso hemos visto un alejamiento de la tecnología del silicio, para darle paso a las células de Arseniuro de galio, que pueden alcanzar eficiencias de hasta el 44%.
Las células de GaAs( Arseniuro de galio) son muy costosas de fabricar, y no son aptas para el consumo masivo, pero esto no es un problema para las aplicaciones espaciales. Sabemos que hay un movimiento muy fuerte en esa línea. La estación espacial internacional, el rover de Marte, el rover Sojouner, el rover Spirit, la nave espacial Juno (está explorando Júpiter en estos momentos) todos ellos se alimentan con células de GaAs.
Aplicaciones de la energía solar espacial
Los primeros usos de las células solares para aplicaciones espaciales siguen de cerca la era de la exploración espacial, ya que las primeras células solares volaron en el cuarto satélite puesto en órbita por la humanidad, el Vanguard 1, en 1958.
Las células solares proporcionaron una fuente de energía alternativa a la batería primaria, ampliando el tiempo de la misión sin necesidad de realizar grandes cambios en la nave espacial o en sus sistemas de energía. Los paneles solares producían 1 W utilizando una superficie de 100 cm².
Si queremos conocer la eficiencia de esta célula solar, debemos saber cuánta energía de entrada recibe el panel solar. Esto lo podemos calcular ya que conocemos la potencia de salida / luminosidad del sol (3.828*10**26 W) y la distancia del Sol a la Tierra (1 UA= 1.496*10**11 m). La constante solar (σ) puede calcularse entonces como la relación entre la potencia del sol y la superficie de una esfera cuyo radio es la distancia entre el Sol y la Tierra; véase la figura 1 para una representación gráfica.
σ = Psol/4πr2
σ = 3.828*10**26[W]/ 4π(1.496*10**11[m])2
σ = 1361[W/m2]
Para calcular la eficiencia (η) de la célula solar del Vanguard I conocemos tanto el área de las células solares como la potencia de entrada(Pin) y la potencia de salida(Pout).
η = Pout/Pin
η = Pout/σ⋅A
η = 1[W]/1361[W/m2]⋅0.01[m2]
η = 7.35%
Recordemos que los laboratorios Bell inventaron la célula solar de silicio en 1951. Mientras los laboratorios Bell trabajaban en la mejora de su invento, otros fabricantes se sumaron a la carrera del desarrollo y se mejoró la eficiencia y la resistencia a la fragilidad.
Leslie Hoffman hizo grandes progresos para convertir la célula solar en una fuente práctica y útil de energía renovable. De 1957 a 1960, mejoró su eficiencia del 4,5 al 14 por ciento y redujo el coste de producción para convertirla en un artículo comercializable. Las células solares utilizadas en el Vanguard 1 fueron fabricadas por Hoffman, al igual que las 9600 células solares montadas en el Explorer 6, lanzado en 1959. Este satélite contaba con grandes conjuntos solares en forma de ala, que se convirtieron en una característica común en los satélites.
En la década de 1960, la principal fuente de energía para la mayoría de los satélites en órbita terrestre eran (y siguen siendo) las células solares, ya que ofrecen la mejor relación potencia-peso. Este éxito fue impulsado por la necesidad y la voluntad de pagar por las mejores células solares posibles para los satélites.
Este mercado de la energía espacial impulsó el desarrollo de mayores eficiencias en las células solares durante muchos años, encontrando aplicaciones como el satélite de comunicaciones Telstar, que permitió la primera llamada telefónica transmitida a través del espacio en 1962, Soyuz 1, la primera nave espacial tripulada alimentada por células solares en 1967, Salyut 1, la primera estación espacial de cualquier tipo en 1971, y Skylab, la primera estación espacial estadounidense en 1973.
El abandono de la tecnología del silicio en la energía solar espacial
A principios de la década de 1990, la tecnología utilizada para las células solares espaciales comenzó a desviarse de la tecnología del silicio, que en ese momento se había convertido en la predominante para las aplicaciones terrestres, y comenzó a cambiar a la tecnología basada en el arseniuro de galio. Las células solares monocristalinas de arseniuro de galio (GaAs) permiten crear células solares de película fina y células solares de junturas múltiples, lo que permite reducir el peso y aumentar la eficiencia en comparación con las células solares de silicio.
Las primeras células solares de heteroestructura de GaAs fueron creadas por un equipo dirigido por Zhores Alferov en la URSS en 1970. A principios de la década de 1980, la eficiencia de las mejores células solares de GaAs superó la de las células solares convencionales basadas en silicio cristalino. En la figura 3, se puede ver la evolución de las eficiencias declaradas de diversas tecnologías de células solares.
Los dispositivos basados en GaAs ostentan el récord mundial de célula solar de unión simple de mayor eficiencia, con un 28,8%. Las células solares más eficientes que se fabrican actualmente son las células fotovoltaicas de unión múltiple. Éstas utilizan una combinación de varias capas de arseniuro de galio, fosfuro de indio y germanio para captar más energía del espectro solar. Las células de triple unión más avanzadas son capaces de superar el 38,8% con iluminación AM1,5G no concentrada y el 46% con iluminación AM1,5G concentrada. Estas eficientes células solares de triple unión se utilizan cada vez más en aplicaciones espaciales, como por ejemplo en los vehículos Spirit y Opportunity, que están explorando la superficie de Marte.
Fuentes Coursera:
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