Geri Dön

Multifunctional solar panel design for nano and micro satellite

Nano ve mikro uydular için çok fonksiyonlu güneş paneli tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 953034
  2. Yazar: SÜLEYMAN SOYER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 90

Özet

Güneş panelleri bir uydu projesinin en kritik alt bileşenlerinden biridir. Uyduların genellikle uzaya gönderildikten sonraki tek enerji kaynağının güneş enerjisi olduğu düşünüldüğünde güneş panellerinin önemi daha da iyi anlaşılabilir. Bu kadar kritik öneme sahip bir alt bileşenin üretim maliyeti ve üretiminde dışa bağımlılık ise uydu teknolojilerinin gelişimini yavaşlatan unsurlardan biri olarak göze çarpmaktadır. Bu sebepten bu alt sistem kabiliyetini kazanmak ve bu alt sistemi uzay kalifiye (space-qualified) yapabilmek amacıyla İTÜ USTTL Laboratuvarında“Nano ve Mikro Uydular için Çok Fonksiyonlu Güneş Paneli Geliştirilmesi”adıyla bir proje yürütülmektedir. Bu tez bu proje kapsamında yapılan tasarım, üretim, test ve değerlendirme çalışmalarının çıktılarının bir kısmını içermektedir. Projeye başlamadan önce kapsamlı bir literatür taraması yapılmıştır. Literatür taraması ile güneş paneli geliştirme sürecinde kullanılması gereken standartlar ve gereksinimler, örnek benzeri akademik çalışmalar ve uzay kullanımına yönelik güneş panelini son ürüne dönüştürerek üreten firmalar ile ilgili detaylı bir ön bilgi sahibi olunmuştur. Burada elde edilen bilgiler çalışmanın daha etkili ve doğru bir yöntemle yapılmasını sağlamıştır. Literatür taramasının ardından hazırlanan proje dokümanı ile Türkiye İhracatçılar Meclisi'ne destek başvurusunda bulunulmuştur. Bu başvurunun kabulü ile birlikte projenin malzeme tedarik ve temin süreçlerine geçilmiştir. Proje takvimine bağlı olarak yürütülen proje süreci etkili ve etkin bir şekilde devam etmektedir. Malzemelerin temini ile birlikte proje takviminde aktif bir şekilde çalışmalara başlanmıştır. Öncelikle çok fonksiyonlu bir güneş paneli geliştirmek için gerekli olan ve proje kapsamında denenmesi amaçlanan yöntemler belirlenmiştir. Bu çalışmada iki tane farklı yöntem seçim süreci bulunmaktadır. Bunlardan ilki güneş hücrelerinin birbiri ile monte edilerek bir kupon oluşturulması ile ilgili yöntem seçim sürecidir. Bu kupon oluşturma süreci için iki farklı yöntem denenmesi öngörülmüştür. Bunlardan ilki klasik lehimle yöntemi olarak bildiğimiz ve birçok elektronikle uğraşan kişinin sahip bildiği bir yöntemdir. Başlangıçta bu yöntemin pozitif etkileri konusunda çekinceler vardı ve beklendiği gibi bu yöntemin kupon oluşturma süreci için çok da başarılı olmadığı söylenebilir. Bu yöntem denenirken eldeki eski projelerden kalan ve uzay kullanım olanağı kalmayan güneş hücreleri deneme amaçlı kullanılmıştır. Bu hücreler ile lehim entegrasyon denemeleri yapılarak ikili test kuponları hazırlanmak istenmiştir. Havyanın ısısından kaynaklı lehim yapılan bölgenin yakınlarındaki hücrelerde kısmi hasarlar oluştuğu gözlemlenmiştir. Farklı denemeler ve el hassasiyetinin arttırılmasıyla yapılan lehimler daha güzel hale getirilse de bu etkiden tamamen kurtulma sağlanamamıştır. Kupon oluşturma süreci ile ilgili ikinci yöntem ise cold-welding yani soğuk kaynak yöntemidir. Bu yöntem çok yaygın değildir ve uygulamak için ilave bir altyapı gerekmektedir. Biz de bu yöntemi uygulamak için TÜBİTAK MAM Araştırma Merkezi'nde bulunan Mekanik Tasarım Laboratuvarının imkanlarından faydalandık. Başlangıçta uygulaması ve karşılanması gereken altyapı gereklilikleri zor gibi gözükse de süreç içerisinde yönteme aşina olunarak tecrübe kazanılmıştır. Bu yöntem ısı ile yapılmadığından hücrelere herhangi bir zarar vermemektedir. Yapılan testler sonucunda kupon oluşturma süreci için doğru ve etkili olan yöntemin cold-welding yöntemi olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. İkinci yöntem seçme süreci hazırlanan kuponların güneş paneline montajı ile alakalıdır. Bu süreç için üç tane farklı uygulama yöntemi önerilmiştir. Bunlardan ilki epoksi bazlı yapıştırıcı ile monte, ikincisi gümüş bazlı epoksi malzeme ile monte, üçüncü yöntem ise çift taraflı bant ile kuponun panele monte edilmesidir. Proje takvimindeki yoğunluktan dolayı bu üç yöntemden sadece ilki olan epoksi bazlı yapıştırıcı ile monte işlemi uygulanabilmiştir. İkinci ve üçüncü yöntemler ise devam eden süreçte uygulanarak akademik bir yayın halinde sonuçların açıklanması planlanmaktadır. Epoksi bazlı yapıştırıcı olarak Huntsman firmasının ürettiği Areldite-2014-2 marka ürün kullanılmıştır. Test kuponları ve güneş panelleri tasarım, üretim ve test süreçlerinde ECSS, NASA ve MIL-STD gibi standart üreticilerinin standartlarından yararlanılmıştır. Bu sayede sürecin başarılı bir şekilde yürütülerek sonuca varmak hedeflenmiştir. Tez kapsamında öncelikle güneş panellerine 15X bir mikroskop altında“visual inspections”denilen bir ön kontrol yapılmıştır. Bu kontrol ile hücrelerde herhangi bir hata veya kusurun varlığını gözle tespit etmek amaçlanmaktadır. Bu kontrolün ardından hücrelere enerji verilerek yapılan Elektro-Luminans (ışık akısı) testine geçilmiştir. Bu testin amacı hücrelere enerji verilerek görsel kontrolde belli olmayan hata ve kusurların montaj işlemlerinden önce tespit edilmesi ve boş yere üretim sürecine geçilmemesini sağlamaktır. Bu kontrol ve testten geçen hücreler ile kupon oluşturma süreci başlatıldı. Sonrasında tekrar bir EL kontrolünden geçen kupon panele montaja hazır hale geldi. Bu tez çalışması kapsamında TUBITAK MAM'dan temin edilen demo güneş paneli ve üretilen panel kullanılmıştır. Demo panel ve üretilen panel sağlamlıklarının testi için Suction test olarak da bilinen bir çekme testine sokulmaktadır. Çekme testi için özel geliştirilen makinede yapılan testlerde başlangıçta panellere 25N'luk tutunma mukavemeti uygulanmıştır. Demo panel sağlam bir şekilde testten çıkarken, üretilen panelin alt hücresi kırılmıştır. Bu üretilen panelde üretim süreçlerinde tecrübenin ve standartlara uymanın farkını anlamak adına montaj sırasında bir farklılık yapılmıştır. Üstteki hücre tamamen uygun bir şekilde panele yerleştirilirken, alttaki hücrede bu hassasiyet gözetilmemiştir. Sonucunda da 25N'luk bir çekme ile hücre kırılarak panelden ayrılmıştır. Bu çekme testleri TUBITAK MAM'da bulunan Mekanik Tasarım Laboratuvarında yapılmıştır. Çekme testi sonrası paneller uzay çevre koşullarında test edilmek için İTÜ USTTL Laboratuvarına getirilmiştir. TVAC testi için hazırlanan paneller -30oC ve +70 oC aralığında üç çevrim olacak şekilde yaklaşık on dört saat süren bir uzay çevre koşul testine tabi tutulmuştur. Bu test esnasında panellere yerleştirilen sıcaklık sensörleri ile veri alınmıştır. Test sonrasında herhangi bir hasara uğramadığı görülen paneller tekrar bir göz kontrolüne ve EL testine tabi tutulmuştur. Bu kontroller panellerin TVAC testinde herhangi bir bozulma ya da hasara uğramadığını göstermiştir. TVAC testinden sonra paneller tekrar çekme testi yapılmak üzere TUBITAK MAM'a götürülmüştür. Burada yapılan testlerde demo panele 80N'luk tutunma mukavemeti uygulanmış ve hücrelerin bu mukavemette panelden ayrılmadan sağlam bir şekilde kaldıkları gözlemlenmiştir. Üretilen panelin sağlam olan üst hücresi de yeniden çekme testine sokulmuştur. 100N tutunma mukavemeti uygulanan panel testten başarılı bir şekilde çıkmıştır. Bu haliyle üretilen panelin ve demo panelin standartların üstünde bir sağlamlığa sahip olduğu rahatlıkla söylenebilir. Proje kapsamında ayrıca üzerinde manyetorker bulunan 1U boyutlarındaki bir uyduda kullanılabilecek özgün bir baskı devre kartı tasarlanmış ve üretilmiştir. Temin edilen güneş hücrelerinin bağlantı şemaları ve devre korumaları incelenerek bu proje özelinde baskı devre kartı tasarlanması konusunda altyapı oluşturulması sağlanmıştır. Bu kart ile panellerde yer alan manyetorkerlar sayesinde ADCS sistemine artı bir etki sağlanması amaçlanmıştır. Bu çalışma sırasında üretilen panellerden elde edilen ilk sonuçların in akademik açıdan hedeflenen seviyede olduğu söylenebilir. Ancak bu ve benzeri çalışmalarda geliştirilen prototip ürünlerin son ürüne dönüştürülmesine verilecek destekler çok önemlidir. Gelişen uzay teknolojilerinden pay almak isteyen ülkemizde konusunda destek verilmesi büyük önem arz etmektedir. Prof. Jordi Puig-Suari ve Prof. Bob Twiggs'in ortak çalışmasıyla başlatılan Küp uydu projesi günümüzde beklenenden daha büyük katkılar sağlamıştır. Tahminimce bu iki kıymetli bilim insanının hayallerinin çok ötesine geçen bu fikir zaman içerisinde gelişerek muazzam bir sisteme dönüşmüştür. Tez kapsamında yapılan bu çalışmanın da küp uyduların bu muazzam sisteminden beslenmiş olup ve bu alana katkı sunmak hedeflenmiştir.

Özet (Çeviri)

Solar panels are one of the most important subsystems in satellite projects. Considering that solar energy is generally the only energy source after satellites are sent into space, the importance of solar panels can be better understood. The production cost of such a critical subsystem and dependence on foreign sources stand out as factors that slow down the development of satellite technologies. For this reason, a project started in Istanbul Technical University, Space Systems Design and Test laboratory in order to gain this subsystem capability and to make this subsystem space-qualified. This thesis contains some of the outputs of the design, production, testing and evaluation studies carried out within the scope of this project. A comprehensive literature review was conducted before starting the project. With the literature review, a detailed preliminary information was obtained about the design specifications and requirements that should be used in the solar panel development process, academic studies like examples, and the companies that produce the solar panel by converting it into a final product. The information obtained here has enabled the study to be carried out with a more effective and accurate method. First of all, the methods required to develop a multifunctional solar panel and which are intended to be tested within the scope of the project were determined. There are two different method selection processes in this study. The first of these is the method selection process for creating a coupon by mounting solar cells with each other. It is envisaged to try two different methods for this coupon creation process. The first of these is the classical soldering method. It was observed that partial damage occurred in the cells near the soldering area due to the heat of the soldering iron. Although the soldering made by different trials and increasing the hand sensitivity has been made more beautiful, it has not been possible to get rid of this effect completely. The second method related to the coupon creation process is the cold-welding method. In order to apply this method, the facilities of the Mechanical Design Laboratory at the TUBITAK MAM Research Center were utilized. Since this method is not done with heat, it does not cause any damage to the cells. As a result of the tests, we can easily say that the correct and effective method for the coupon creation process is the cold-welding method. The second method selection process is related to the mounting of the prepared coupons to the solar panel. Three different application methods have been proposed for this process. The first of these is to be mounted with epoxy-based adhesive, the second is to be mounted with silver-based epoxy material, and the third method is to mount the coupon to the panel with double-sided tape. Due to the intensity of the project schedule, only the first of these three methods, epoxy-based adhesive, could be mounted. Standard developers such as ECSS, NASA and MIL-STD were used in the design, production and testing processes of test coupons and solar panels. In this way, it is aimed to reach a conclusion by carrying out the process successfully. Within the scope of the thesis, first of all, a pre-control called“visual inspections”was made on the solar panels under a 15X microscope. After this control, the Electro-Luminescence (EL) test, which was performed by energizing the cells, was started. With this control and cells that passed the test, the coupon creation process was started. Afterwards, the coupon, which passed an EL control again, became ready for mounting on the panel. Within the scope of this thesis, the demo solar panel and the panel produced from TUBITAK MAM were used. The demo panel and the produced panel are subjected to a tensile test, also known as the Suction test, to test their strength. In the tests carried out on the machine specially developed for the tensile test, a holding strength of 25N was initially applied to the panels. While the demo panel came out of the test intact, the bottom cell of the produced panel was broken. These tensile tests were carried out in the Mechanical Design Laboratory at TUBITAK MAM. After the tensile test, the panels were brought to ITU SSDTL Laboratory to be tested in space environmental conditions. The panels were subjected to a TVAC test (three cycles between -30 oC and 70oC and 10-3 and10-5 Pa) lasting approximately fourteen hours. The panels, which were not damaged after the test, were subjected to an eye control and EL test again. These controls showed that the panels did not suffer any deterioration or damage in the TVAC test. After the TVAC test, the panels were taken to TUBITAK MAM for tensile testing again. In the tests performed here, 80N adhesion strength was applied to the demo panel and it was observed that the cells remained intact at this strength without leaving the panel. The upper cell of the produced panel, which was intact, was also put into the tensile test again. The panel with 100N adhesion strength has passed the test successfully. It can be easily said that the panel and the demo panel produced in this state have a robustness above the design specifications. Within the scope of the project, a unique printed circuit board that can be used on a 1U satellite with a magnetorquer was designed and produced. With this card, it is aimed to provide a positive effect to the ADCS system thanks to the magnetorquers on the panels. It can be said that the academic results of the panels produced after this study are satisfactory. In our country, which wants to get a share from the developing space technologies, it is of great importance to support the conversion of prototype products developed in this and similar studies into final products.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    833306

    Synthesis of aerogel coatings and investigation of anti-icing performances

    Aerojel kaplamaların sentezi ve buzlanma önleme başarımlarının incelenmesi

    ÜMRAN AKGÖL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    KimyaEge Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. NİLAY GİZLİ

  2. Tez No

    933590

    Design & development of semi-autonomous street cleaning vehicle

    Yarı otonom sokak temizleme aracının tasarımı ve geliştirilmesi

    KHOULOUD SAFA AZOUD.

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiAltınbaş Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SÜLEYMAN BAŞTÜRK

  3. Tez No

    949524

    Türkiye'de uygulanacak eğitim yapılarının mimari tasarım ve dış cephe kaplama malzemesi özelliklerine göre çevresel etki yüklerinin değerlendirilmesi

    Evaluation of environmental impact loads based on architectural design and exterior cladding material characteristics in educational buildings

    DİLFURUZ KARA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CANER GÖÇER

  4. Tez No

    903862

    Elektrikli mikro-mobilite araçları için yenilikçi bir solar şarj istasyonu tasarımı ve optimum konum belirlemesi

    Innovative solar charging station design and determination of the optimal location for electric micro-mobility vehicles

    EMRE TOPCU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN HÜSEYİN ÇEVİK

  5. Tez No

    963157

    Yenilikçi ve sürdürülebilir yapı tasarımının çok fonksiyonlu mimarlık yaklaşımları ile birleşimi

    The integration of innovative and sustainable building design with multifunctional architectural approaches

    EDA DOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    MimarlıkHarran Üniversitesi

    Yenilenebilir Enerji Kaynakları

    PROF. DR. İSMAİL HİLALİ

Geri Dön