Expansion der Niedrig-Erdumlauf-Satellitenkonstellationen, kristalline Silizium-Solarzellen kehren zurück in den Wettbewerb

Eine Gruppe von P-Typ-Heterojunction-Modulen hat die vorgesehene Umlaufbahn erreicht. Ob die Kostenvorteile der bodengebundenen Photovoltaik in die Kostenrechnung für Satellitenstromversorgungen umgerechnet werden können, hängt davon ab, wie viel Leistung sie nach einigen Jahren noch behalten.

Kürzlich wurde eine Gruppe von selbst entwickelten und verkapselten P-Typ-Heterojunction(P-HJT)-Modulen von JinkoSolar mit der Trägerrakete Kuaizhou-11 aus Jiuquan gestartet und in die vorgesehene Umlaufbahn gebracht.

Dies ist das erste Mal, dass JinkoSolar einen On-Orbit-Test für P-HJT-Module durchführt. Gemäß dem Plan wird das Unternehmen die On-Orbit-Daten mit den Ergebnissen von Bodensimulationsprüfungen vergleichen, um die Zuverlässigkeit und die Leistungsabnahme dieser Siliziumkristall-Technologielinie in der Umgebung niedriger Umlaufbahnen zu bewerten.

Dass bodengebundene Photovoltaikunternehmen beginnen, ihre Produkte in den Weltraum zu bringen, geht auf ein direktes geschäftliches Problem zurück: Wie viel Geld können die bereits am Boden erreichten Kostenvorteile von Siliziumkristallzellen für die Stromversorgung von Satelliten einsparen?

Die Massenbereitstellung von Konstellationen in niedrigen Umlaufbahnen bietet Anwendungsraum für kostengünstige Batterien. Aber günstige Solarzellen sind nur der Ausgangspunkt der Berechnung. Um Effizienz und Strahlungsbeständigkeit zu verbessern, benötigen Solarflügel möglicherweise eine größere Fläche und mehr Schutzmaterialien, was das Strukturgewicht und die Startkosten erhöht.

Der Test von JinkoSolar wird die ersten On-Orbit-Daten für diese Berechnung liefern.

Zuerst betrachten wir, wie viel Strom am Ende der Lebensdauer noch erzeugt werden kann

Bodengebundene Photovoltaikmodule müssen Regen, Schnee, Staub und lang anhaltende Sonneneinstrahlung aushalten. Nach dem Eintritt in die Umlaufbahn sind die Materialien anderen Betriebsbedingungen ausgesetzt.

Satelliten pendeln zwischen sonnenbeschienenen Zonen und Erdschattenzonen, sodass die Module wiederholt Kalt-Warm-Zyklen durchlaufen. Weltraumstrahlung beschädigt das Batteriematerial und führt zu einer Abnahme der Ausgangsleistung. Vakuum, atomarer Sauerstoff in bestimmten Umlaufbahnen und Unterschiede in der Wärmeausdehnung verschiedener Materialien beeinflussen wiederum die Verkapselungsschicht und die elektrischen Verbindungen.

Bodengebundene Kraftwerke können Module warten und austauschen, nach dem Start von Satelliten bestehen solche Bedingungen normalerweise nicht. Bei der Auslegung der Stromversorgung müssen im Voraus Reserven vorgesehen werden, damit die Restleistung nahe am Ende der Mission noch den Betrieb der Nutzlast und der Plattform gewährleistet.

Daher gibt es für Weltraumsolarzellen einen wichtigen Indikator – die Leistung am Ende der Lebensdauer. Wie hoch die Effizienz vor dem Start ist, muss zusammen mit der verbleibenden Leistung nach einigen Jahren betrachtet werden.

JinkoSolar will durch diesen Test bestätigen, ob die Abnahmerate von P-HJT-Modulen in der echten Umlaufbahn mit den Ergebnissen übereinstimmt, die durch Prüfungen wie Bestrahlung am Boden und Temperaturzyklen vorhergesagt wurden. Die Abweichung zwischen beiden beeinflusst das nachfolgende Schutzdesign, die Leistungsreserven und die anwendbare Lebensdauer der Produkte.

Laut Angaben von JinkoSolar befindet sich die Weltraumphotovoltaik noch in der Phase der Erprobung und Validierung, derzeit gibt es keine entsprechenden Bestellungen, dies hat keine wesentlichen Auswirkungen auf das derzeitige Betriebsergebnis, und bei der groß angelegten Kommerzialisierung bestehen erhebliche Unsicherheiten.

Der Wert des On-Orbit-Tests liegt darin, dass das Forschungs- und Entwicklungsteam Betriebsdaten erhält, die durch Bodensimulationen nicht vollständig ersetzt werden können. In welchem Umfang Daten gesammelt werden und welche Auslegungslebensdauer sie unterstützen können, muss unter Berücksichtigung der jeweiligen Umlaufbahn und der Testergebnisse beurteilt werden.

Neuberechnung der Stromversorgungskosten für Konstellationen in niedrigen Umlaufbahnen

Siliziumkristallzellen sind nicht zum ersten Mal im Weltraum eingesetzt worden.

Frühe Raumfahrzeuge haben weit verbreitet Siliziumzellen verwendet. Danach haben die Mehrfachübergangs-III-V-Zellen mit besserer Effizienz und Strahlungsbeständigkeit allmählich den Mainstream eingenommen, darunter auch die technologischen Routen, die allgemein als „Galliumarsenid-Zellen“ bezeichnet werden. Die Europäische Weltraumorganisation hat diesen Ablösungsprozess bei der Vorstellung der Entwicklung von Weltraumsolarzellen dokumentiert.

Mehrfachübergangszellen nutzen verschiedene Materialien, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu absorbieren und die Nutzungseffizienz von Solarenergie zu verbessern. In den Unterlagen zur Stromversorgung von Kleinsatelliten der NASA werden 3- bis 5-fache III-V-Zellen als Mainstream-Technologie für Weltraumanwendungen aufgeführt, ihre typische Umwandlungseffizienz liegt bei etwa 30 %, einige Produkte erreichen noch höhere Werte.

Unterschiede in der Effizienz wirken sich direkt auf die Solarflügel aus: Bei gleichem Stromversorgungsbedarf ist die erforderliche Fläche umso kleiner, je höher die Effizienz der Zellen ist, sodass mehr Reserven für das Zusammenlegen, Ausfahren und Strukturdesign der Solarflügel zur Verfügung stehen. Eine bessere Strahlungsbeständigkeit hilft zudem, den Leistungsverlust während des langfristigen Betriebs zu verringern.

Für teure, langlebige Raumfahrzeuge ist es ingenieurtechnisch sinnvoll, beim Einkauf etwas mehr Geld auszugeben, um eine kleinere Array-Fläche und eine ausreichend zuverlässige Grundlage zu erhalten. Die gesammelten Flugaufzeichnungen ausgereifter Weltraumsolarzellen können zudem das Risiko bei der Einführung neuer Produkte für die jeweiligen Modelle senken.

Die Einkaufsbedingungen für Konstellationen in niedrigen Umlaufbahnen sind anders.

Hunderte oder noch mehr Satelliten werden kontinuierlich produziert, gestartet und zur Netzergänzung eingesetzt, sodass sich die Batteriekosten mit dem Einkaufsvolumen summieren. Ob Lieferanten termingerecht liefern können und ob die Leistung verschiedener Chargen konsistent ist, beeinflusst auch die Produktion des gesamten Satelliten. Einige Missionen sind für eine kürzere Lebensdauer ausgelegt, sodass ihr Bedarf an langlebiger Leistung sich von dem traditioneller großer Kommunikationssatelliten unterscheidet.

Dadurch erhalten Siliziumkristallzellen eine neue Chance, am Wettbewerb teilzunehmen. Die bodengebundene Photovoltaikindustrie hat bereits Systeme für die Massenfertigung, automatisierte Produktion und Materialversorgung aufgebaut. Wenn Weltraumprodukte einen Teil dieser Verfahren und Versorgungskapazitäten nutzen können, besteht die Möglichkeit, die Herstellungskosten zu senken.

Allerdings können Dünnung, strahlungsbeständiges Design, spezielle Verkapselung, Selektion und Qualitätsrückverfolgbarkeit neue Arbeitsgänge und Kosten verursachen. Wie viele der bodengebundenen Fertigungsvorteile letztlich erhalten bleiben, hängt von dem Produktionsschema ab, nachdem das Produkt endgültig festgelegt ist.

Die größere Variable liegt außerhalb der Batterie.

Wenn die Effizienz von Siliziumkristallzellen geringer ist, kann bei gleichem Stromversorgungsbedarf ein größerer Solarflügel erforderlich sein; wenn die Leistungsabnahme im Orbit schnell erfolgt, muss bei der Auslegung zudem die Anfangsleistung erhöht werden. Nachdem die Array-Fläche vergrößert wurde, müssen Struktur, Ausfahrmechanismus, Lagesteuerung und Startmasse neu berechnet werden.

Die durch den Batterieeinkauf eingesparten Gelder können durch diese zusätzlichen Kosten aufgezehrt werden, es kann aber auch ein Überschuss verbleiben. Das Ergebnis hängt von Umlaufbahn, Lebensdauer, Leistungsbedarf und Strukturdesign des Satelliten ab und lässt sich nicht mit einem allgemeinen Kostensenkungssatz zusammenfassen.

Ob P-HJT angewendet werden kann, hängt davon ab, in welchem Maße es die Kosten des gesamten Satelliten senken kann.

JinkoSolar muss noch mit On-Orbit-Daten nachweisen, dass P-HJT-Module nach Erfüllung der Anforderungen an Stromversorgung und Lebensdauer des Satelliten weiterhin Kostenvorteile behalten. Sie könnten zunächst für Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen mit kürzerer Lebensdauer und höherem Kostendruck eingesetzt werden, aber vom Test bis zur Massenlieferung müssen sie noch die Validierung durch die Satellitenkunden durchlaufen.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „Xingdong Wuji“, Autor: UniLym, veröffentlicht mit Genehmigung von 36Kr.