Modular array design for space-based solar power generation

Space-Based Solar Power (SBSP) is a concept that proposes the collection of solar energy in space and its transmission to Earth. It offers the potential for a sustainable and near-unlimited source of clean energy. Space-Based Solar Power works by deploying large solar panels in space, typically in geostationary orbit, to capture continuous sunlight without interference from the atmosphere or weather. The captured sunlight is converted into electricity using photovoltaic cells and then transformed into microwaves or laser beams for transmission to Earth, targeting ground-based receiving stations called rectennas, which convert it back into electricity to be fed into the local or national power grid. This thesis presents the trade-offs involved in selecting the solar array design architecture, materials, and technical solutions for implementing the electrical/structural design of a solar array module that must be repeatable and can be integrated with other modules, for a potential photovoltaic generation station in GEO orbit. The first half of the thesis focuses on describing the mission profile and performing a trade-off analysis between different solar array systems based on existing concepts of Space-Based Solar Power generation. For the most advantageous solar array system resulting from the trade-off, two potential design architectures are considered: the Double Roll-Out Array (DORA) and the Fold-Up Array. An analysis is then conducted using MATLAB to evaluate the launch feasibility of the two solar array design architectures, and a trade-off is performed to select the most advantageous one. Subsequently, trade-offs are performed to select the substrate, solar cells, and coverglass to define the more detailed layout of the solar array. In the second half of the thesis, the preliminary sizing and power generation analysis of a single solar array module are carried out based on the power requirements. This analysis estimates the number of sections, the number of parallel strings per section, and the number of cells in series per string. As a last step the electrical/structural design of the repeatable single module is defined using a CAD model, and finally, the modules are integrated to create the complete solar array system.

L’Energia Solare dallo Spazio (Space-Based Solar Power, SBSP) è un concetto che prevede la raccolta dell’energia solare nello spazio e la sua trasmissione verso la Terra. Essa offre il potenziale per una fonte di energia sostenibile, pulita e praticamente illimitata. Il funzionamento del sistema SBSP si basa sul dispiegamento di grandi pannelli solari nello spazio, tipicamente in orbita geostazionaria, al fine di catturare in modo continuo la luce solare, senza interferenze dovute all’atmosfera o alle condizioni meteorologiche. L’energia solare così raccolta viene convertita in energia elettrica mediante celle fotovoltaiche e successivamente trasformata in microonde o fasci laser per essere trasmessa verso la Terra, dove viene ricevuta da stazioni di terra denominate rettenne, le quali la riconvertono in energia elettrica da immettere nella rete elettrica locale o nazionale. La presente tesi illustra le analisi di compromesso (trade-off) condotte per la selezione dell’architettura progettuale dell’array solare, dei materiali e delle soluzioni tecniche per l’implementazione del progetto elettrico e della modellazione CAD 3D del modulo solare. Quest’ultimo è progettato per essere ripetibile e integrabile con altri moduli, in vista della realizzazione di una possibile stazione fotovoltaica in orbita geostazionaria (GEO). La prima parte del lavoro è dedicata alla descrizione del profilo di missione e all’esecuzione di un’analisi di trade-off tra differenti sottosistemi di raccolta dell’energia solare (Solar Energy Collection Subsystems, SECS), basati su concetti esistenti di generazione SBSP. Per il SECS risultato più vantaggioso dall’analisi, vengono considerate due possibili architetture di array solare: il Double Roll-Out Array (DORA) e il Fold-Up Array (FUA). Successivamente, viene condotta un’analisi utilizzando codici MATLAB sviluppati per valutare la fattibilità del lancio delle due architetture proposte. A seguire, un’ulteriore analisi di trade-off è eseguita per selezionare l’architettura più vantaggiosa. Nel passo successivo, vengono effettuate analisi comparative per la selezione del substrato, delle celle solari e del vetro di copertura (coverglass), con l’obiettivo di definire il layout dell’array solare. Nella seconda parte della tesi, si procede al dimensionamento preliminare e all’analisi della generazione di potenza di un singolo modulo dell’array, con particolare attenzione ai requisiti di potenza. L’analisi consente di definire, per il modulo solare, il numero di sezioni, il numero di stringhe in parallelo per sezione e il numero di celle in serie per stringa. Come ultimo passo, viene sviluppato il progetto elettrico del modulo ripetibile mediante modellazione CAD 3D. Il concetto alla base per uno sfruttamento futuro del design del modulo sviluppato in questo studio risiede nella modularità dell’integrazione, con l’obiettivo ultimo di realizzare un sistema di generazione di energia solare dallo spazio su larga scala.