Operating temperatures of the solar cells used in the concentrator system with radiating plates

Abstract

A solar cell concentrator system is offered to satisfy the energy requirement of the satellites orbited around the Earth. The solar cells coupled to the system are exposed to sunlight concentrated 124 times with a Cassegrain type reflector system. To dissipate the waste heat to the space, the cells are bonded on a radiating plate. To calculate the temperature distribution on the surface of the radiating plate, a new FAS (Full Approximation Scheme) solver is developed. This new FAS solver is validated with the Newton method. Additionally, the FAS solver is shown to be 92 times more efficient computationally than the Newton method. Afterwards, radiating plate efficiencies are calculated. These efficiency figures change between 0.1 and 0.02 for different cell temperatures. Next, an energy balance equation is constructed in order to calculate the theoretical operating temperatures of the solar cells. Using energy balance equation and the FAS solver iteratively, solar cell operating temperatures are calculated successfully for different radiating plate thicknesses and solar cell conversion efficiencies. Solar cell operating temperatures are found between 500 K and 1000 K. The present study points out that concentrator systems require highly efficient solar cells operating in the very high temperatures. For instance, in order to operate the cell temperature at 750 K for a 3 mm radiating plate thickness, the cell conversion efficiency should be 70%. Ongoing projects which aim to develop solar cells capable of operating in high intensity-high temperature environments are believed to make it possible to embed solar cell concentrator systems on the next generation satellites. / Dünya çevresinde yörüngede dönen uyduların enerji ihtiyacını karşılamak için bir yoğunlaşmalı güneş hücresi sistemi önerilmiştir. Cassegrain tipi bir yansıtıcı kullanılarak 124 defa yoğunlaştırılan güneş ışığı sistemde yer alan güneş hücrelerine yönlendirilmektedir. Artık ısı enerjisini uzaya aktarmak için güneş hücreleri bir radyasyon levhasına yapıştırılmaktadır. Radyasyon levhası yüzeyindeki sıcaklık dağılımını hesaplamak için yeni bir FAS çözücü geliştirilmiştir. Bu yeni FAS çözücü Newton yöntemi ile yapılan bir çözüm ile doğrulanmıştır. İlaveten, FAS çözücünün Newton yöntemine nazaran 92 kez daha hızlı çalıştığı gösterilmiştir. Takiben, radyasyon levhasının ısı transferi verimliliği hesaplanmıştır. Verimliliğin hücre sıcaklığına bağlı olarak 0.1 ile 0.02 arasında değiştiği görülmüştür. Daha sonra, güneş hücrelerinin çalışma sıcaklığını hesaplamak için bir enerji denge denklemi oluşturulmuştur. Enerji denge denklemi ve FAS çözücüsünü birlikte ardışık çalıştırarak, güneş hücresi çalışma sıcaklıkları farklı radyasyon levha kalınlıkları ve güneş hücresi verimlilikleri için başarı ile hesaplanmıştır. Güneş hücresi çalışma sıcaklıklarının 500 K ile 1000 K arasında değiştiği görüldü. Bu çalışmada, yoğunlaşma sistemlerinde yüksek verimli ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı güneş hücrelerinin kullanılması gerektiği belirlenmiştir. Örneğin 750 K çalışma sıcaklığı ve 3 mm kalınlığında bir radyasyon levhası için hücre verimliliğinin 70% olması gerekmektedir. Yüksek yoğunlukta ve yüksek sıcaklıkta çalışabilen güneş hücresi geliştirme projelerinden görülmektedir ki, gelecek nesil uydularda güneş hücresi yoğunlaştırma sistemlerinin kullanılması mümkün olacaktır.