El Grupo Energía Solar de la CNEA, conjuntamente con personal de otros departamentos del Centro Atómico Constituyentes, trabaja actualmente en el desarrollo de los paneles solares para las misiones satelitales SAC-D y SAOCOM, en el marco del Plan Espacial Nacional. Las actividades incluyen el análisis de diferentes configuraciones eléctricas de los paneles solares y la simulación teórica del funcionamiento del subsistema de potencia del satélite. En el presente trabajo se presenta el procedimiento de análisis desarrollado, basado en la evaluación de dos casos extremos al final de la vida útil, aplicado a la misión satelital Aquarius/SAC-D.The Solar Energy Group of the National Atomic Energy Commission (CNEA), jointly with people from other departments of the Constituyentes Atomic Center, is working in the development of the solar arrays for SAC-D and SAOCOM satellite missions, within the frame of the National Space Plan. The activities include the analysis of different electrical configurations for the solar array and the theoretical simulation of the power subsystem performance. In this paper, we present an analysis based on the evaluation of two extreme cases and we apply it to the SAC-D mission.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Durán, Julio César

Godfrin, Elena María

Spanish

SEDICI - Repositorio de la UNLP

 
 
 
 
 
 
DIMENSIONAMIENTO DE LOS PANELES SOLARES PARA 
LA MISIÓN SATELITAL AQUARIUS/SA-D EN BASE A DOS CASOS EXTREMOS # 
 
E.M. Godfrin, J.C. Durán 
Departamento de Física – Centro Atómico Constituyentes – CNEA 
Av. General Paz 1499 – B1650KNA San Martín – Provincia de Buenos Aires – Argentina 
Tel. (011) 6772-7132, Fax (011) 6772-7121, www.tandar.cnea.gov.ar, duran@tandar.cnea.gov.ar 
 
 
RESUMEN 
 
El Grupo Energía Solar de la CNEA, conjuntamente con personal de otros departamentos del Centro Atómico 
Constituyentes, trabaja actualmente en el desarrollo de los paneles solares para las misiones satelitales SAC-D y SAOCOM, 
en el marco del Plan Espacial Nacional. Las actividades incluyen el análisis de diferentes configuraciones eléctricas de los 
paneles solares y la simulación teórica del funcionamiento del subsistema de potencia del satélite. En el presente trabajo se 
presenta el procedimiento de análisis desarrollado, basado en la evaluación de dos casos extremos al final de la vida útil, 
aplicado a la misión satelital Aquarius/SAC-D. 
 
Palabras claves: paneles solares – uso espacial – simulación – diseño circuito 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
El Grupo Energía Solar de la CNEA, junto a un grupo de trabajo interdepartamental del Centro Atómico Constituyentes, se 
encuentra trabajando en el desarrollo de los paneles solares para las misiones satelitales SAC-D, SAOCOM IA y SAOCOM 
IB, previstas en el Plan Espacial Nacional, en el marco de una cooperación con la Comisión Nacional de Actividades 
Espaciales (CONAE). Las actividades en ejecución incluyen, además del desarrollo de las tecnologías de fabricación y 
ensayo de los paneles, la elaboración de modelos teóricos que permitan diseñar y simular el funcionamiento del subsistema 
de generación de energía eléctrica (subsistema de potencia) del satélite a lo largo de la vida útil de la misión. 
 
El subsistema de potencia de un satélite, formado básicamente por los paneles solares y las baterías, es un componente 
fundamental de la misión dado que es el encargado de proveer la energía eléctrica requerida para el funcionamiento de la 
plataforma y de los instrumentos encargados de cumplir con los objetivos específicos de observación. En tal sentido, el 
diseño correcto y la confiabilidad de dicho subsistema resultan imprescindibles para garantizar el éxito de la misión (ver, por 
ejemplo, Clark y Hall, 2002; Dakermani, 2005; Haines, 2002; Jackson y Rueda, 2005). 
 
El diseño del subsistema de potencia (Pastena y Grassi, 1999) y, en particular, de los paneles solares para un satélite dado se 
realiza habitualmente analizando el caso más desfavorable, de manera de asegurar la provisión de energía eléctrica en todo 
momento de la misión. Dicho caso ocurre, en general, al final de la vida útil del satélite (“end of life”, EOL), para ángulos de 
incidencia de la radiación solar sobre el panel elevados y para las órbitas con eclipses (satélite en el cono de sombra de la 
Tierra) de mayor duración. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que esta situación, si bien posiblemente corresponda a la 
menor generación de energía, seguramente no identifica la mayor temperatura de operación y, en consecuencia, la menor 
tensión de trabajo del panel solar. 
 
En este trabajo se presenta un método para realizar el dimensionamiento de los paneles solares para una misión satelital, en 
base a datos eléctricos de las celdas solares que los componen y considerando dos casos extremos al final de la misión: 
períodos de menor generación eléctrica por órbita y épocas de mayor temperatura de operación. En particular, se aplica el 
método propuesto a la misión Aquarius/SAC-D. 
 
CARACTERÍSTICAS DE LA MISIÓN AQUARIUS/SAC-D 
 
La misión Aquarius/SAC-D es producto de una colaboración entre la Comisión Nacional de Actividades Espaciales y la 
agencia espacial norteamericana (NASA), y tiene por objetivos: 
• Obtener nueva información climática  a partir de la medición de salinidad y la evaluación de la circulación y procesos de 
mezcla en el océano 
                                                 
# Trabajo financiado fundamentalmente por la CNEA y la CONAE. Cuenta también con aportes de la Agencia Nacional de Promoción 
Científica y Tecnología (PICT 2003 N° 10-14327). 
 
              ASADES 
Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente 
Vol. 10,  2006.  Impreso en la Argentina.  ISSN  0329-5184 
04-41 
• Detectar focos de alta temperatura en la superficie terrestre para obtener mapas de riesgo de incendios y evaluar la 
humedad del suelo con el fin de alertar en forma temprana el riesgo de inundaciones. 
 
El satélite SAC-D tendrá un peso total de aproximadamente 1.600 kg, llevará a bordo diversos instrumentos de observación 
entre los que se destaca el Aquarius para la medición de la salinidad de los océanos, y será puesto en órbita a mediados de 
2009. El instrumento principal tiene una vida útil mínima estimada de tres años, mientras que la vida útil del resto del satélite 
es de cinco años. La órbita seleccionada tiene las características señaladas en la Tabla I. 
 
Parámetro Valor Nominal Observaciones 
Altitud en el Ecuador 657 km 7 dias (103 revoluciones) de ciclo de repetición 
Excentricidad promedio 0,0012 Fijo 
Inclinación 98,01º Heliosincrónica 
Nodo Ascendente 18:00 hs  
Perigeo 90º  
Período Orbital 98 minutos  
Tabla I: Características de la órbita seleccionada para el Aquarius/SAC-D 
 
El cambio a lo largo del año de la posición del Sol respecto del plano orbital produce cortos períodos de eclipse (de hasta un 
máximo de 20 minutos de duración en cada órbita), entre los meses de mayo y agosto, cuando el satélite se encuentra sobre el 
hemisferio sur. La existencia de órbitas sin eclipses y órbitas con eclipses dará lugar a temperaturas de operación de los 
paneles solares variables dentro de un rango importante, lo que influye significativamente sobre las características de las 
curvas corriente-tensión (I-V) de los paneles, como se verá más adelante. 
 
El satélite SAC-D tiene un requerimiento de potencia media de 1300 Watts (valor a confirmar), la cual deberá ser provista 
por un panel solar con una superficie total aproximada de 9 m2. El subsistema de potencia está formado por dicho panel, una 
batería y un sistema de regulación de corriente. Para la fabricación de este panel se utilizarán celdas de triple juntura 
(advanced triple junction ATJ: GaInP-GaInAs-Ge), de 27,5% de eficiencia promedio, provistas por Emcore Corp.. El panel 
estará formado por módulos (conjuntos de 5 o 6 cadenas de celdas en serie, conectadas entre sí en paralelo) que podrán 
desconectarse o conectarse según el estado de carga de la batería. Un diseño preliminar del subsistema de potencia puede 
verse en Godfrin et al., 2005. 
 
DESCRIPCIÓN DEL MODELO 
 
La evaluación de la potencia generada por el panel solar en sus diferentes configuraciones al final de la vida útil (end of life, 
EOL) del satélite, se realiza a partir de las curvas I-V (simuladas teóricamente) de los módulos que lo conforman. A su vez, 
estas curvas se obtienen a partir de datos de las características eléctricas de las celdas individuales medidas en Tierra. El 
procedimiento es básicamente el siguiente: 
 
1. Se utilizan los datos provistos por el fabricante (Emcore Corp.) de los parámetros eléctricos (corriente de cortocircuito 
[Icc], tensión de circuito abierto [Vca] y punto de máxima potencia [PMP]) de 2700 celdas ATJ, medidos a 28ºC. 
2. Se clasifican las celdas por corriente en el punto de máxima potencia (Imax), a fin de seleccionar los conjuntos de celdas 
a ser interconectadas en serie. 
3. Se introduce un error aleatorio de ±2% en Icc e Imax para simular el error experimental que se comete en la medición de 
las curvas I-V para su clasificación. 
4. Se calculan los valores de los parámetros eléctricos (Icc, Vca y PMP) en EOL, para las temperaturas de operación 
esperadas, utilizando los factores de corrección asociados al daño por radiación (Tabla II, de Ref. Alurralde, 2005) y los 
coeficientes de variación por temperatura provistos por el fabricante (Tabla III, de Ref. Emcore, 2002), para las 
diferentes temperaturas de operación. 
5. Se generan numéricamente las curvas I-V de las celdas individuales en EOL, a partir de los 3 puntos conocidos  (Icc, Vca 
y PMP), utilizando el modelo del circuito equivalente con un diodo. 
6. Se suman las curvas I-V de las celdas individuales interconectadas en serie, teniendo en cuenta los diodos de protección 
(diodos de paso y de bloqueo) y la resistencia serie que introducen los interconectores y las soldaduras, generándose de 
esta manera las curvas I-V de las cadenas (strings). 
7. Se suman, finalmente, las curvas I-V de las cadenas que se interconectan entre sí en paralelo para formar los módulos, 
agregando en este caso un nuevo componente de protección (diodo de bloqueo) y la resistencia serie introducida por el 
cableado. 
 
 Coeficiente 
VCa 0.950 
Icc 1.000 
Vmax 0.957 
Imax 0.997 
Tabla II: Coeficientes de degradación de las características eléctricas de las celdas por daño por radiación al bo de 3 años 
de misión. 
04-42 
 
 
 Coeficiente 
∆Vcc/∆T -5.48 mV/ºC 
∆Icc/∆T 0.286 mA/ºC 
∆Vmax/∆T -5.68 mV/ºC 
∆Imax/∆T 0.206 mA/ºC 
Tabla III: Coeficientes de temperatura en EOL (3 años). 
 
 
PANEL SOLAR DEL SATÉLITE SAC-D: DIFERENTES CONFIGURACIONES 
 
Teniendo en cuenta el área (aproximadamente 9 m2) y la geometría (dos alas), se consideraron tres configuraciones del panel 
solar. En todos los casos se ubicaron en ambas alas la mayor cantidad de cadenas completas posible. Las tres configuraciones 
constan de: 
 
a) 2574 celdas distribuidas en 143 cadenas de 18 celdas cada una, 
b) 2565 celdas distribuidas en 135 cadenas de 19 celdas cada una, 
c) 2560 celdas  distribuidas en 128 cadenas de 20 celdas cada una, 
 
con las siguientes características 
• un diodo de paso por celda, 
• un diodo de bloqueo por cadena, 
• una resistencia serie de 0,32 Ω (estimada en base a la resistencia serie medida de cada interconector y del 
cableado) para cada cadena, 
• módulos formados por 6 cadenas interconectadas en paralelo, 
• un diodo de bloqueo final por módulo 
• una resistencia serie de 0,37 Ω (asociada al cableado) para cada módulo. 
 
RESULTADOS 
 
Se analizaron en EOL dos casos críticos, uno correspondiente a la época del año con eclipses de mayor duración y el otro, al 
período con radiación solar con incidencia normal sobre los paneles y sin eclipses. Considerando las temperaturas de 
operación de los paneles en ambos casos, el primero se denomina “caso frío” y el segundo “caso caliente”. 
 
 Caso Frío 
En la órbita del SAC-D, el caso frío ocurre durante el mes de junio y tiene las siguientes características 
• Temperatura de operación del panel solar: 53ºC 
• Duración máxima del eclipse: 20 minutos 
• Ángulo de incidencia de la radiación solar sobre el panel: 31º. 
 
 Caso Caliente 
El caso caliente ocurre durante el mes de noviembre y tiene las siguientes características 
• Temperatura de operación: 83ºC 
• Sin eclipses, o sea que el panel solar está permanentemente al Sol 
• Incidencia normal de la radiación solar sobre el panel (0º). 
 
Para cada una de las configuraciones (18, 19 y 20 celdas por cadena) y temperaturas de operación, se determinaron las curvas 
I-V de cada módulo y se identificó el módulo de potencia media. En las figuras 1 y 2 se presentan las curvas I-V de los 
módulos de potencia media para cada configuración, incidencia normal de la radiación solar y temperaturas de operación de 
53ºC y 83ºC. En la Tabla IV se dan los valores obtenidos para las tensiones en el punto de máxima potencia. 
 
 
# celdas/cadena 53ºC 83ºC 
18 35.2 31.7 
19 37.3 33.6 
20 39.3 35.4 
Tabla IV: Tensiones en el punto de máxima potencia [V] para cada una de las configuraciones de las cadenas y las 
temperaturas de operación. 
 
04-43 
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
-20 -10 0 10 20 30 40 50
Tensión [V]
Co
rri
en
te
 [A
]
18 celdas 19 celdas 20 celdas
PMP 18 PMP 19 PMP 20
 
Figura 1: Curvas I-V de los módulos medios para una temperatura de operación de 53ºC, para las distintas configuraciones. 
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
-20 -10 0 10 20 30 40 50
Tensión [V]
C
or
rie
nt
e 
[A
]
18 celdas 19 celdas 20 celdas
PMP 18 PMP 19 PMP 20
 
Figura 2: Curvas I-V de los módulos medios para una temperatura de operación de 83ºC, con las distintas configuraciones. 
 
El punto de trabajo (o sea la tensión de operación) de los módulos se encuentra definido por la tensión de la batería, la que a 
su vez depende de diversos factores: número de celdas de batería en serie, características de cada celda de batería, 
temperatura de operación de la batería, situación de carga o descarga. En el caso de las baterías de hidrógeno del SAC-D, con 
22 celdas de batería en serie, a una temperatura estimada de operación de -10ºC y a plena carga, dicha tensión es levemente 
superior a los 34 V. 
 
A partir de la curva I-V de los módulos medios para cada configuración y temperatura de trabajo, se estimó la potencia total 
generada por el panel solar, introduciendo en esta etapa los factores de corrección no tenidos en cuenta previamente, 
04-44 
asociados con: (i) la variación de la distancia Tierra-Sol a lo largo del año, (ii) el ángulo de incidencia de la radiación solar, 
(iii) el daño por radiación UV y micrometeoritos, (iv) las pérdidas en la batería, y (v) la duración del eclipse. Estos factores se 
dan en la Tabla V. 
 
Factores de corrección Junio Caso caliente 
Distancia Tierra-Sol 0.97 0.98 
Incidencia de la radiación solar 0.85 1.00 
UV + micrometeoritos 0.98 0.98 
Batería 0.97 1.00 
Eclipse 0.796 1.00 
TOTAL 0.628 0.962 
Tabla V: Factores de corrección utilizados para el cálculo de la potencia generada por el panel solar. 
 
 
Dado que las simulaciones del subsistema de potencia de un satélite deben contemplar la posibilidad de falla parcial de sus 
componentes a fin de evaluar las consecuencias que estas fallas podrían tener sobre la misión, se analizaron las siguientes 
situaciones: 
1. la totalidad del panel solar y de la batería funcionando 
2. pérdida de un módulo (6 cadenas) del panel solar 
3. pérdida de una celda de batería 
4. pérdida de un módulo (6 cadenas) del panel solar y de una celda de batería. 
 
En el caso del mes de junio, se consideró que la batería opera, en promedio, al 90% de su capacidad, resultando tensiones de 
trabajo de 33,8V para las 22 celdas de batería funcionando, y 32,3 V en caso de falla de una de las celdas de batería. 
 
Para el “caso caliente”, la batería se encuentra habitualmente totalmente cargada, resultando tensiones de trabajo de 34,2 V 
con la batería funcionando completa, y 32,7 V en caso de falla de una de sus celdas. 
 
En la Tabla VI y VII se muestran los resultados obtenidos.  
 
Cantidad de celdas solares/cadena 18 19 20 
Cantidad de  módulos/panel 143 135 128 
    
Cantidad de celdas de batería funcionando 22 (Tensión 33,8 V) 
Potencia del panel completo [W] 1360 1300 1240 
Potencia del panel con falla de 1 módulo [W] 1300 1240 1184 
    
Cantidad de celdas de batería funcionando 21 (Tensión 32,3 V) 
Potencia del panel completo [W] 1310 1250 1190 
Potencia del panel con falla de 1 módulo [W] 1260 1190 1130 
Tabla VI: Potencias generadas por el panel completo y con falla de un módulo, para el “caso frío”. 
 
 
04-45 
Cantidad de celdas/cadena 18 19 20 
Cantidad de  módulos/panel 143 135 128 
    
Cantidad de celdas de batería 22 (Tensión 34,2V) 
Potencia del panel completo [W] 1630 2060 2150 
Potencia del panel con falla de 1 módulo [W] 1560 1980 2060 
    
    
Cantidad de celdas de batería 21 (Tensión 32,7 V) 
Potencia del panel completo [W] 1910 2050 2080 
Potencia del panel con falla de 1 módulo [W] 1830 1970 1990 
Tabla VII: Potencias generadas por el panel completo y con falla de un módulo, para el “caso caliente”. 
 
CONCLUSIONES 
 
Se desarrolló un procedimiento de evaluación del subsistema de potencia de una misión satelital, basado en el estudio de dos 
casos críticos (“caso frío” y “caso caliente”) al final de la vida útil de la misión. Se aplicó este procedimiento a la misión 
Aquarius/SAC-D, analizándose en particular configuraciones eléctricas con 18, 19 y 20 celdas solares por cadena. Los 
resultados obtenidos muestran que la configuración con 18 celdas por cadena es la que presenta la mayor potencia generada 
en el “caso frío”, o sea en el período de menor generación debido a los eclipses. Sin embargo, cabe destacar que en esta 
configuración el punto de trabajo del panel solar durante el “caso caliente” se encuentra ubicado a la derecha del punto de 
máxima potencia de la curva I-V, con el consiguiente riesgo de pérdida importante de potencia ante caídas de tensión 
asociadas con factores no tenidos en cuenta en la simulación. 
 
NOMENCLATURA 
V tensión 
I corriente 
Vca tensión a circuito abierto 
Icc corriente de cortocicuito 
Vmax tensión en el punto de máxima potencia 
Imax corriente en el punto de máxima potencia 
 
REFERENCIAS 
 
Alurralde M. (2005), Degradación de celdas Emcore ATJ para tres y cinco años en órbita tipo SAOCOM, CAC-PSE-ENV-
00600A-IN. 
Clark C.S., Hall K.W. (2002), Power System Design and Performance on the World’s Most Advanced In-Orbit Nanosatellite, 
Sixth European Space Power Conference Procedures, 129. 
Dakermanji G. (2005), The Messenger Spacecraft Power System Design and Early Mission Performance, Seventh Space 
Power Conference Procedures. 
Emcore (2002), Report on space qualification test for the GaInP2/InGaAs/Ge advanced triple junction bare solar cell, without 
bypass diode, Emcore ID EWRP036 (documento reservado). 
Godfrin E.M., Fernández Slezak D., Durán J.C. (2005), Misión satelital Aquarius/SAC-D: diseño preliminar del panel solar y 
simulaciones del comportamiento del subsistema de potencia, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente 9, 
04.13. 
Haines J.E. (2002), Spacecraft Recovery! Power System Design and Operation – Lessons learnt, Sixth European Space 
Power Conference Procedures, 185. 
Jackson B., Rueda, P. (2005), Power System for the Herschel & Planck Spacecraft, Seventh Space Power Conference 
Procedures. 
Pastena M., Grassi M. (1999), Design and performance analysis of the electric power sub-system for a multi-mission 
microsatellite, Acta Astronautica Volume 44, Issue 1, 31 
 
ABSTRACT 
 
The Solar Energy Group of the National Atomic Energy Commission (CNEA), jointly with people from other departments of 
the Constituyentes Atomic Center, is working in the development of the solar arrays for SAC-D and SAOCOM satellite 
missions, within the frame of the National Space Plan. The activities include the analysis of different electrical configurations 
for the solar array and the theoretical simulation of the power subsystem performance. In this paper, we present an analysis 
based on the evaluation of two extreme cases and we apply it to the SAC-D mission. 
 
Keywords:  solar arrays – spatial use – simulation – circuit design 
04-46 


Dimensionamiento de los paneles solares para la misión satelital Aquarius/SA-D en base a dos casos extremos

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/87739/Documento_completo.pdf?sequence=1

Dimensionamiento de los paneles solares para la misión satelital Aquarius/SA-D en base a dos casos extremos

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