Rendement des panneaux solaires spatiaux

A la grande joie (sic) des élèves de terminale, depuis quelques années le programme d'enseignement scientifique porte notamment sur la notion de rendement d'alternateurs et de cellules photovoltaïques. Devant refaire ce programme cette année, cela m'a donné envie de m'intéresser au rendement des panneaux solaires utilisés sur les satellites.

Le but de ce sujet est de regrouper des informations sur la puissance et la surface de ces panneaux solaires, données nécessaires pour calculer leur rendement, et leur nature, pour retracer leur évolution depuis le début de l'astronautique.

Vaisseau Orion :

Les panneaux utilisent l'arséniure de gallium.

Il y a 12 panneaux de 4,0896 m² (2,130 m x 1,920 m), répartis en 4 ailes ("wings"), soit une surface totale de 49,0752 m².

Avec une constante solaire de 1368 W/m², cela fait une puissance reçue de 67,134 kW.

Selon les sources, la puissance électrique obtenue est de 11,1 kW ou 11,2 kW.

En prenant 11,15 kW, cela donne un rendement de 16,6 %.

https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Orion/Power

ISS :

6 panneaux solaires iROSA (construits par Redwire) ont récemment été installés sur l'ISS (notament par Thomas Pesquet), directement sur certains panneaux existants.

Chacun des 6 panneaux (6m x 18,2m) génère 20 Kw de puissance électrique, soit un total de 120 kW.

Les anciens panneaux solaires, non recouverts, génèrent encore 95 kW environ, portant la puissance totale à 215 kW disponible sur l'ISS.

Fabien a écrit:
Chacun des 6 panneaux (6m x 18,2m) génère 20 Kw de puissance électrique [...]

Merci.

Donc une surface de 109,2 m² (puissance reçue de 149,4 kW) et un rendement de 13,3 %.

Cargo ATV :

Basés sur le silicium.

4 panneaux de 8,4 m², soit une surface totale de 33,6 m² (puissance reçue : 45,9648 kW)

Puissance électrique : 4,800 kW

Rendement : 10,44 %

https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/ATV/ATV_Service_Module

~10% dans l'espace où les rayons du soleil sont au maximum, a quel résultat arrive-t-on sur Terre où on est loin d'un tel ensoleillement ? 

Que sait on des panneaux des Soyouz / Progress ?

Intéressant ce sujet de discussion et il va falloir qu'on l'étende aux autres programmes.

Astro-notes a écrit:~10% dans l'espace où les rayons du soleil sont au maximum, a quel résultat arrive-t-on sur Terre où on est loin d'un tel ensoleillement ? 

Je me risque à une réponse :
sur terre l'énergie qui arrive jusqu'au sol est plus faible que dans l'espace, mais les panneaux solaires fonctionne avec un rayonnement qui arrive jusqu'au sol, au final le rendement au sol pourrait être supérieur à celui dans l'espace.
Car attention ! on parle de rendement et pas de puissance au m² !!
si on parle de puissance au m² alors l'espace est bien meilleur.
Votre avis ?
...

Fabien a écrit:
Intéressant ce sujet de discussion et il va falloir qu'on l'étende aux autres programmes.

C'est prévu. Le prochain post sera consacré aux satellites Gorizont.

Astro-notes a écrit:~10% dans l'espace où les rayons du soleil sont au maximum, a quel résultat arrive-t-on sur Terre où on est loin d'un tel ensoleillement ? 

Le rendement étant défini par la puissance utile produite (sous forme électrique) divisée par la puissance reçue, le dénominateur de la fraction tient compte de la position du panneau solaire.

A spectre égal, que la lumière du soleil soit atténuée (au sol) ou non (en orbite), cela ne change strictement rien au rendement.

MEGHARBA a écrit:Que sait on des panneaux des Soyouz / Progress ?

Nikolai39 avait ouvert un sujet sur ce thème il y a quelques années :

https://astronautique.actifforum.com/t13716-les-nouveaux-panneaux-solaires-de-soyouz

philippe26 a écrit:
Je me risque à une réponse :
sur terre l'énergie qui arrive jusqu'au sol est plus faible que dans l'espace, mais les panneaux solaires fonctionne avec un rayonnement qui arrive jusqu'au sol, au final le rendement au sol pourrait être supérieur à celui dans l'espace.
Car attention ! on parle de rendement et pas de puissance au m² !!
si on parle de puissance au m² alors l'espace est bien meilleur.
Votre avis ?
...

C'est plus compliqué que ça. En orbite, une partie du rayonnement qui atteint le sol est plus intense.

Cela dépend aussi de la technologie utilisée.

Je me risque a un petit calcul sans doute très approximatif après avoir regardé ce sujet https://astronautique.actifforum.com/t23794-chine-centrale-solaire-orbitale#
La Chine voudrait donc mettre en orbite une centrale solaire de 10 MW en 2035 puis 2 GW en 2050.

Donc si je comprend bien, on capte 1,368 kW par m² en orbite.
Si on est généreux et que l'on donne un rendement a 30% pour que la station génère 10 MW (10 000 kW) il faudrait donc 24 122 m² de panneau solaire ((10 000/1.368) * 3.3)
Et ça uniquement si on considère que 100 % de l'énergie généré pourrait être réceptionné au sol !
Mais j'ai aucune idée de rendement a ce niveau là...

24 122 m² :



Pour la centrale de 2 GW on tombe sur du 4 824 561 m²


Ça me parait un peu ridicule... Suis je a coté de la plaque dans mes calculs ?

Elliac a écrit:
Donc si je comprend bien, on capte 1,368 kW par m² en orbite.

C'est la constante solaire au niveau de l'orbite de la Terre.

Il me semble que vous n'avez pas pris en compte la redondance qu'on adore avoir dans les vols habités.
Pour les vols Apollo, il y avait plus du double de générateur que la puissance maximum consommée

C'est le bon calcul, le rendement de transmission étant très faible entre le panneau, les conversions en radio frequence, les pertes atmosphérique, la reconversion en électricité...

C'est "débile" cette idée... Autant aller chercher de l'uranium sur Vénus !

philippe26 a écrit:

Astro-notes a écrit:~10% dans l'espace où les rayons du soleil sont au maximum, a quel résultat arrive-t-on sur Terre où on est loin d'un tel ensoleillement ? 

Je me risque à une réponse :
sur terre l'énergie qui arrive jusqu'au sol est plus faible que dans l'espace, mais les panneaux solaires fonctionne avec un rayonnement qui arrive jusqu'au sol, au final le rendement au sol pourrait être supérieur à celui dans l'espace.
Car attention ! on parle de rendement et pas de puissance au m² !!
si on parle de puissance au m² alors l'espace est bien meilleur.
Votre avis ?
...

aujourd'hui , le rendement maximum d'un panneau photovoltaïque est de l'ordre de 20%  (j'ai entendu parlé de 40% pour les  modèle de laboratoire). Apres il faut prendre en compte les conversions, le fait qu'un partie de l'énergie part vers les batteries et toute les phases ou les panneaux sont pas complètement a la perpendiculaire pour avoir la puissance utilisable par le vaisseau. 

Outan a écrit: Autant aller chercher de l'uranium sur Vénus !

oui on y vas

Torx a écrit:
Il me semble que vous n'avez pas pris en compte la redondance qu'on adore avoir dans les vols habités.
Pour les vols Apollo, il y avait plus du double de générateur que la puissance maximum consommée

Quel est le rapport entre votre message et ce sujet ???

Phénix a écrit:

Outan a écrit: Autant aller chercher de l'uranium sur Vénus !

oui on y vas

C’est à quoi aussi m’a fait penser cette boutade …mais j’étais sûr que vous seriez le premier à la relever ! 

Un article intéressant de l'ESA à propos des panneaux solaires de la sonde JUICE, qui utiliseront des cellules 3G28, efficaces dans les conditions de basse luminosité et basse température (LILT, Low Intensity Low Temperature) :

https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/Juice_running_on_solar_power_in_the_dark

Conçus pour travailler en faible luminosité, les panneaux solaires de la sonde Psyche délivreront une puissance de 20 kW au niveau de l'orbite terrestre et 2 kW autour de Psyche.

Pas étonnante cette chute d'énergie ; nous évoluons en 1/r², la lumière c'est une onde électromagnétique !

Quelques panneaux solaires construits ou envisagés pour des sondes d'exploration du système solaire :

Si j'en juge pour Uranus il faut prévoir une sacré surface de collecteur pour se garder au chaud 400 W utile. C'est vrai qu'URANUS cela commence à faire loin ; mais alors quid d'un générateur nucléaire ? Qu'est ce qui a influencé pour un tel choix ?