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El sistema eléctrico de la Estación Espacial Internacional es una parte fundamental de la Estación Espacial Internacional (ISS), ya que permite el funcionamiento de los sistemas esenciales de soporte vital , el funcionamiento seguro de la estación, el funcionamiento del equipo científico y la mejora de la comodidad de la tripulación. El sistema eléctrico de la ISS utiliza células solares para convertir directamente la luz solar en electricidad . Se ensamblan grandes cantidades de células en conjuntos para producir altos niveles de potencia. Este método de aprovechar la energía solar se denomina energía fotovoltaica .
El proceso de captar la luz solar, convertirla en electricidad y gestionarla y distribuirla genera un exceso de calor que puede dañar los equipos de la nave espacial. Este calor debe eliminarse para que la estación espacial funcione de manera fiable en órbita. El sistema de energía de la ISS utiliza radiadores para disipar el calor de la nave espacial. Los radiadores están protegidos de la luz solar y orientados hacia el frío vacío del espacio profundo.
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Cada ala de paneles solares de la ISS (a menudo abreviada como "SAW") consta de dos "mantas" retráctiles de células solares con un mástil entre ellas. Cada ala es la más grande jamás desplegada en el espacio, con un peso de más de 2400 libras y utilizando casi 33.000 paneles solares, cada uno de los cuales mide 8 cm cuadrados con 4.100 diodos. Cuando está completamente extendida, cada una tiene 35 metros (115 pies) de largo y 12 metros (39 pies) de ancho. Cada SAW es capaz de generar casi 31 kilovatios (kW) de energía de corriente continua. [1] Cuando está retraída, cada ala se pliega en una caja de manta de paneles solares de solo 51 centímetros (20 pulgadas) de alto y 4,57 metros (15,0 pies) de largo. [2]
En total, las ocho alas del panel solar [3] pueden generar alrededor de 240 kilovatios con luz solar directa, o alrededor de 84 a 120 kilovatios de potencia promedio (ciclando entre luz solar y sombra). [4]
Los paneles solares normalmente siguen al Sol, con el " cardán alfa " utilizado como la rotación principal para seguir al Sol mientras la estación espacial se mueve alrededor de la Tierra, y el " cardán beta " utilizado para ajustar el ángulo de la órbita de la estación espacial con respecto a la eclíptica . Se utilizan varios modos de seguimiento diferentes en las operaciones, que van desde el seguimiento total del Sol, hasta el modo de reducción de la resistencia ( modos de planeador nocturno y cortador solar ), hasta un modo de maximización de la resistencia utilizado para reducir la altitud. [ cita requerida ]
Con el tiempo, las células fotovoltaicas de las alas se han ido degradando gradualmente, a pesar de haber sido diseñadas para una vida útil de 15 años. Esto es especialmente notorio en el caso de los primeros paneles que se lanzaron, los P6 y P4 Trusses en 2000 ( STS-97 ) y 2006 ( STS-115 ). [5]
STS-117 entregó la estructura S4 y los paneles solares en 2007.
La nave STS-119 (vuelo de ensamblaje 15A de la ISS) entregó el armazón S6 junto con el cuarto conjunto de paneles solares y baterías a la estación durante marzo de 2009.
Para aumentar las alas más antiguas, la NASA lanzó tres pares de versiones a gran escala del ISS Roll Out Solar Array (IROSA) a bordo de tres lanzamientos de carga SpaceX Dragon 2 desde principios de junio de 2021 hasta principios de junio de 2023, SpaceX CRS-22 , CRS-26 y CRS-28 . [6] Estos conjuntos se desplegaron a lo largo de la parte central de las alas hasta dos tercios de su longitud. [7] Los miembros de la tripulación de la Expedición 64 iniciaron el trabajo para instalar los soportes de soporte de iROSA en las latas del mástil de la armadura que sostienen las alas del conjunto solar a fines de febrero de 2021. [8] [9] Después de que se entregó el primer par de conjuntos a principios de junio, una caminata espacial el 16 de junio por Shane Kimbrough y Thomas Pesquet de la Expedición 65 para colocar un iROSA en el canal de energía 2B y la lata del mástil de la armadura P6 terminó antes de tiempo debido a dificultades técnicas con el despliegue del conjunto. [10] [11] [12]
La caminata espacial del 20 de junio vio el despliegue exitoso del primer iROSA y su conexión al sistema de energía de la estación. [13] [14] [12] La caminata espacial del 25 de junio vio a los astronautas instalar y desplegar con éxito el segundo iROSA en el mástil 4B opuesto al primer iROSA. [15] [12]
El siguiente par de paneles se lanzó el 26 de noviembre de 2022. [6] Los astronautas Josh Cassada y Frank Rubio de la Expedición 68 instalaron cada uno en el canal de energía de 3A y el mástil en el segmento S4, y el canal de energía de 4A y el mástil en los segmentos de armadura P4, el 3 y el 22 de diciembre de 2022, respectivamente. [16]
El tercer par de paneles se lanzó el 5 de junio de 2023. El 9 de junio, los astronautas Steve Bowen y Warren Hoburg de la Expedición 69 instalaron el quinto iROSA en el canal de alimentación 1A y el mástil en el segmento de armadura S4. [17] [18] El 15 de junio, Bowen y Hoburg instalaron el sexto iROSA en el canal de alimentación 1B y el mástil en el segmento de armadura S6. [19]
Está previsto que el último par de iROSA, el séptimo y el octavo, se instalen en los canales de potencia 2A y 3B de los segmentos de celosía P4 y S6 en 2025. [20]
Como la estación no suele recibir luz solar directa, depende de baterías de iones de litio recargables (inicialmente baterías de níquel-hidrógeno ) para proporcionar energía continua durante la parte de "eclipse" de la órbita (35 minutos de cada órbita de 90 minutos).
Cada conjunto de baterías, situado en las estructuras S4, P4, S6 y P6, consta de 24 celdas de batería de iones de litio ligeras y equipos eléctricos y mecánicos asociados. [21] [22] Cada conjunto de baterías tiene una capacidad nominal de 110 Ah (396 000 C ) (originalmente 81 Ah) y 4 kWh (14 MJ). [23] [24] [25] Esta energía se suministra a la ISS a través de la BCDU y la DCSU respectivamente.
Las baterías garantizan que la estación nunca se quede sin energía para sostener los sistemas de soporte vital y los experimentos. Durante la parte de la órbita en la que se ve la luz solar, las baterías se recargan. Las baterías de níquel-hidrógeno y las unidades de carga/descarga de baterías fueron fabricadas por Space Systems/Loral (SS/L), [26] bajo contrato con Boeing . [27] Las baterías de Ni-H2 en el armazón P6 fueron reemplazadas en 2009 y 2010 por más baterías de Ni-H2 traídas por las misiones del transbordador espacial. [25] Las baterías de níquel-hidrógeno tenían una vida útil de diseño de 6,5 años y podían superar los 38.000 ciclos de carga/descarga a una profundidad de descarga del 35%. Se reemplazaron varias veces durante los 30 años de vida útil esperados de la estación. [28] [24] Cada batería medía 40 por 36 por 18 pulgadas (102 por 91 por 46 cm) y pesaba 375 libras (170 kg). [29] [24]
De 2017 a 2021, las baterías de níquel-hidrógeno fueron reemplazadas por baterías de iones de litio . [25] El 6 de enero de 2017, los miembros de la Expedición 50, Shane Kimbrough y Peggy Whitson, comenzaron el proceso de conversión de algunas de las baterías más antiguas de la ISS a las nuevas baterías de iones de litio. [25] Los miembros de la Expedición 64, Victor J. Glover y Michael S. Hopkins, concluyeron la campaña el 1 de febrero de 2021. [30] [31] [32] [33] Hay varias diferencias entre las dos tecnologías de baterías. Una diferencia es que las baterías de iones de litio pueden manejar el doble de carga, por lo que solo se necesitaron la mitad de baterías de iones de litio durante el reemplazo. [25] [24] Además, las baterías de iones de litio son más pequeñas que las baterías de níquel-hidrógeno más antiguas. [25] Aunque las baterías de iones de litio suelen tener una vida útil más corta que las baterías de Ni-H2, ya que no pueden soportar tantos ciclos de carga y descarga antes de sufrir una degradación notable, las baterías de iones de litio de la ISS han sido diseñadas para 60.000 ciclos y diez años de vida útil, mucho más que la vida útil de diseño de las baterías originales de Ni-H2 de 6,5 años. [25] [24]
El subsistema de distribución y gestión de energía opera con un voltaje de bus primario establecido en Vmp , el punto de potencia pico de los paneles solares. Al 30 de diciembre de 2005 , Vmp era de 160 voltios de CC ( corriente continua ). Puede cambiar con el tiempo a medida que los paneles se degradan por la radiación ionizante. Los interruptores controlados por microprocesador controlan la distribución de la energía primaria en toda la estación. [ cita requerida ][update]
Las unidades de carga/descarga de la batería (BCDU) regulan la cantidad de carga que se introduce en la batería. Cada BCDU puede regular la corriente de descarga de dos ORU de la batería (cada una con 38 celdas Ni- H2 conectadas en serie ) y puede proporcionar hasta 6,6 kW a la Estación Espacial. Durante la insolación, la BCDU proporciona corriente de carga a las baterías y controla la cantidad de sobrecarga de la batería. Cada día, la BCDU y las baterías experimentan dieciséis ciclos de carga/descarga. La Estación Espacial tiene 24 BCDU, cada una con un peso de 100 kg. [26] Las BCDU son proporcionadas por SS/L [26]
Ochenta y dos cadenas de paneles solares independientes alimentan una unidad de derivación secuencial (SSU) que proporciona una regulación de voltaje aproximada en el Vmp deseado . La SSU aplica una carga "ficticia" (resistiva) que aumenta a medida que disminuye la carga de la estación (y viceversa) de modo que el panel funciona a un voltaje y una carga constantes. [ 34] Las SSU son proporcionadas por SS/L. [26]
Las unidades convertidoras de CC a CC suministran al sistema de energía secundario una corriente continua constante de 124,5 voltios, lo que permite que el voltaje del bus primario siga el punto de máxima potencia de los paneles solares.
El sistema de control térmico regula la temperatura de la electrónica de distribución de energía principal y de las baterías y la electrónica de control asociada. Los detalles sobre este subsistema se pueden encontrar en el artículo Sistema de control térmico activo externo .
Desde 2007, el sistema de transferencia de energía de la estación al transbordador (SSPTS, pronunciado spits ) permitió que un transbordador espacial acoplado utilizara la energía proporcionada por los paneles solares de la Estación Espacial Internacional . El uso de este sistema redujo el uso de las celdas de combustible generadoras de energía a bordo del transbordador , lo que le permitió permanecer acoplado a la estación espacial durante cuatro días adicionales. [35]
El SSPTS fue una actualización del transbordador que reemplazó la Unidad de Conversión de Energía del Ensamblaje (APCU) con un nuevo dispositivo llamado Unidad de Transferencia de Energía (PTU). La APCU tenía la capacidad de convertir la energía del bus principal de 28 VCC del transbordador a 124 VCC compatible con el sistema de energía de 120 VCC de la ISS. Esto se utilizó en la construcción inicial de la estación espacial para aumentar la energía disponible del módulo de servicio ruso Zvezda . La PTU agrega a esto la capacidad de convertir los 120 VCC suministrados por la ISS a la energía del bus principal de 28 VCC del orbitador. Es capaz de transferir hasta 8 kW de energía desde la estación espacial al orbitador. Con esta actualización, tanto el transbordador como la ISS pudieron usar los sistemas de energía del otro cuando fue necesario, aunque la ISS nunca más necesitó el uso de los sistemas de energía de un orbitador. [ cita requerida ]
En diciembre de 2006, durante la misión STS-116 , el PMA-2 (en ese entonces en el extremo delantero del módulo Destiny ) fue recableado para permitir el uso del SSPTS. [36] La primera misión que hizo uso real del sistema fue la STS-118 con el transbordador espacial Endeavour . [37]
Sólo el Discovery y el Endeavour estaban equipados con el SSPTS. El Atlantis era el único transbordador superviviente que no estaba equipado con el SSPTS, por lo que sólo podía realizar misiones de menor duración que el resto de la flota. [38]
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