Energieversorgung von Raumfahrzeugen

Grundlagen, Architekturen, Entwicklungsprozess,
Anwendungsbewertung, Berechnungsgrundlagen,
Auslegungsbetrachtungen und Konzeptgegenüberstellungen

Autor: Reinhard Röder
Datum : 14.11.2007

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen und Definitionen ... 3

1 Energieversorgung ... 5

1.1 Energieerzeugung ... 6

1.2 Energiequellen ... 6
1.2.1 Fotovoltaik ... 7
1.2.2 Solardynamik ... 8
1.2.3 Nukleare Energieversorgung ... 9
1.2.4 Chemische Energie / Brennstoffzelle ... 9

1.3 Entwicklungsprozess zur Auslegung einer optimierten EVS Architektur ... 10
1.3.1 Identifikation der EVS Designanforderungen ... 11

1.4 EVS Architekturen ... 12
1.4.1 Hauptversorgungsbuskonzepte ... 13
1.4.1.1 Geregelter Versorgungsbus ... 13
1.4.1.2 Ungeregelter Versorgungsbus ... 15
1.4.1.3 Semigeregelter Versorgungsbus ... 16
1.4.1.4 Hybrid-Versorgungsbus ... 17
1.4.2 Solargenerator ... 17
1.4.2.1 Solarzellentechnologien ... 17
1.4.2.2 Silizium-Solarzellen ... 20
1.4.2.3 Multijunction Gallium-Arsenid auf Germanium (GaAs/Ge) Solarzellen ... 21
1.4.2.4 Elektrische Kennwerte von Solarzellen ... 22
1.4.2.5 Temperatur- und Strahlungsverhalten ... 23
1.4.2.6 Solargenerator-Technologien ... 25
1.4.2.7 Reihenschaltung von Solarzellen ... 25
1.4.2.8 Parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten ... 26
1.4.2.9 Betriebstemperaturen ... 26
1.4.2.10 Elektrostatische Aufladung, Entladung und Durchschlagseffekte ... 26
1.4.3 Energiespeicher ... 28
1.4.3.1 Sekundärbatterie-Technologien ... 28
1.4.3.2 Eigenschaften und Lebensdauer ... 29
1.4.3.3 Vergleich der Batterietechnologien ... 32
1.4.3.4 Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Batterien ... 34
1.4.4 Batterieladeregelung ... 35
1.4.4.1 Nickel-Cadmium- und Nickel-Wasserstoff-Batterie ... 35
1.4.4.2 Lithium-Ionen Batterie ... 36
1.4.5 Grundsätzliche EVS Designbetrachtungen ... 36
1.4.5.1 Busspannung ... 36
1.4.5.2 Aufbereitung der Solargeneratorenergie ... 36
1.4.5.3 Spannungswandler und Leistungsregler ... 38
1.4.5.4 Erdungskonzept ... 39
1.4.5.5 Maßnahmen zum Schutz des Energieversorgungsbusse ... 39
1.4.5.6 Energieverteilung ... 40

Literaturverzeichnis ... 41

1 Energieversorgung

Die elektrische Energieversorgung wird für den Betrieb von allen aktiven Raumfahrzeugsystemen und Geräten benötigt. Das elektrische Energieversorgungssystem (EVS) eines Raumfahrzeugs schließt die Energieerzeugung, Energieaufbereitung, die Energiespeicherung, den Stromleitungsschutz und die Stromverteilung an die Verbraucher über Niederspannungsbordnetze ein. Die Bordnetze versorgen Raumfahrzeuge in Leistungsbereichen von einigen 10W bis derzeitig ca. 50kW im Netzspannungsbereich von 20 bis 125V. Die voll ausgebaute internationale Raumstation ISS mit einer Leistung von 110 kW bildet bisher eine Ausnahme.

Hochspannungstechnik in Raumfahrzeugen kommt im zunehmenden Maße bei der Versorgung elektrischer Triebwerke zum Einsatz.

Das EVS muss die Versorgung der angeschlossenen Stromverbraucher während aller Missionsphasen des Raumfahrzeugs unter allen angetroffenen Weltraum-Umweltverhältnissen zuverlässig und wartungsfrei sicherstellen.

Eine zumindest bei unbemannten Raumfahrzeugen wichtige Anforderung besteht darin, die Energieversorgung in jedem möglichen Ausfallmodus des Raumfahrzeugs völlig autonom, ohne Betreiberintervention, aufrecht zu erhalten, denn der Verlust der Raumfahrzeugenergie führt fast immer zum irreversiblen Gesamtausfall des Raumfahrzeugs. Die Rückführung des Raumfahrzeugs in den Nominalbetrieb durch Bodenoperationen ist nach einem Ausfall nur möglich, wenn das Telekommunikationssystem und die Bahn- und Lageregelung des Raumfahrzeugs funktionsfähig bleiben. All dieses erfordert ein gut durchdachtes, robustes und zuverlässiges EVS, das zudem in all seinen Funktionen testbar ist.

Ein EVS kann, wie in Bild 1-1Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. dargestellt, allgemein in vier Funktionsblöcke unterteilt werden, nämlich in Energiequelle, Energiespeicher, Energiemanagement und Energieverteilung.

(Bild 1-1: Wesentliche Funktionsblöcke eines Energieversorgungssystems in Raumfahrzeugen - In der Downloadversion enthalten)

1.1 Energieerzeugung

[24] Raumfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, kann auf vielfältige Weise erfolgen. Dabei muss zwischen zwei grundsätzlichen Arten von Energieversorgungssystemen unterschieden werden:

1. Energie wird von außen zugeführt (bis jetzt lediglich in Form von Sonnenenergie).
2. Die Energiequelle wird mitgeführt.

Die Umwandlung von Primärenergie in elektrische erfolgt entweder direkt durch den Fotoeffekt in Solarzellen sowie chemoelektrisch in galvanischen Elementen (Batterien und Brennstoffzellen), oder indirekt durch Umwandlung von solarer oder nuklearer Energie in thermische Energie, wobei die Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie statisch mit Thermo- und Thermionikelementen erfolgen kann, oder dynamisch, d. h. über kinetische Energie, mit Magneto-Hydro-Dynamik (MHD)-Generatoren oder turboelektrischen Wärmekraftmaschinen mit Gasturbinen (Brayton-Zyklus oder Stirlingmotor) und Dampfturbinen (Rankine-Zyklus).

Obwohl mit schlechtem Wirkungsgrad behaftet, benutzen alle bisher geflogenen EVS mit nuklearen Energiequellen thermo-elektrische Wandler, weil sie einfach und zuverlässig sind.
 Das solardynamische System mit der Umwandlung von solarer Energie in thermische Energie ist eine Wandler-Energiequellen-Kombination, die trotz der günstigen Flächenleistung (d. h. erzeugte Energiemenge pro Sonnen beschienener Flächeneinheit) durch entscheidende Wirkungsgradverbesserung und kostengünstigere Produktion von Solarzellen vorläufig zurückgestellt wurde.

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