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El sistema eléctrico de la Estación Espacial Internacional es un recurso crítico para la Estación Espacial Internacional (ISS) porque permite a la tripulación vivir cómodamente, operar la estación de manera segura y realizar experimentos científicos. El sistema eléctrico de la ISS utiliza células solares para convertir directamente la luz solar en electricidad . Se ensamblan grandes cantidades de células en matrices para producir altos niveles de potencia. Este método de aprovechamiento de la energía solar se llama fotovoltaica .
El proceso de recolectar la luz solar, convertirla en electricidad y administrar y distribuir esta electricidad genera un exceso de calor que puede dañar los equipos de las naves espaciales. Este calor debe eliminarse para un funcionamiento fiable de la estación espacial 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 alineados hacia el frío vacío del espacio profundo.
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Cada ala del panel solar 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, pesa más de 2.400 libras y utiliza casi 33.000 paneles solares, cada uno de los cuales mide 8 cm cuadrados con 4.100 diodos. Cuando están completamente extendidos, cada uno mide 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 unos 240 kilovatios bajo la luz solar directa, o entre 84 y 120 kilovatios de potencia media (cambiando entre luz solar y sombra). [4]
Los paneles solares normalmente siguen al Sol, con el " cardán alfa " usado como rotación principal para seguir al Sol mientras la estación espacial se mueve alrededor de la Tierra, y el " cardán beta " usado para ajustar el ángulo de la órbita de la estación espacial para la eclíptica . En las operaciones se utilizan varios modos de seguimiento diferentes, que van desde el seguimiento solar completo hasta el modo de reducción de resistencia ( modos de planeador nocturno y cortador de sol ), y un modo de maximización de resistencia utilizado para reducir la altitud. [ cita necesaria ]
Con el tiempo, las células fotovoltaicas de las alas se han ido degradando progresivamente, habiendo sido diseñadas para una vida útil de 15 años. Esto es especialmente notable con los primeros conjuntos que se lanzaron, con los Trusses P6 y P4 en 2000 ( STS-97 ) y 2006 ( STS-115 ). [5]
STS-117 entregó el truss S4 y los paneles solares en 2007.
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 los mástiles que sostienen las alas del panel solar a finales de febrero de 2021. [8] [9] Después de que se entregara el primer par de paneles a principios de junio , una caminata espacial realizada 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 el mástil del armazón 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] En la caminata espacial del 25 de junio, los astronautas instalaron y desplegaron con éxito el segundo iROSA en el mástil 4B frente 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 3A y el mástil en el segmento S4, y el canal de energía 4A y el mástil en el Segmentos de celosía P4, los días 3 y 22 de diciembre de 2022, respectivamente. [dieciséis]
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 energía 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 energía 1B y el mástil en el segmento de armadura S6. [19]
Está previsto instalar el último par de iROSA, el séptimo y el octavo, en los canales de alimentación 2A y 3B de los segmentos de celosía P4 y S6 en 2025. [20]
Dado que la estación a menudo no está expuesta a la luz solar directa, depende de baterías recargables de iones de litio (inicialmente baterías de níquel-hidrógeno ) para proporcionar energía continua durante la parte del "eclipse" de la órbita (35 minutos de cada 90 minutos de órbita).
Cada conjunto de batería, situado en los armazones S4, P4, S6 y P6, consta de 24 celdas de batería livianas de iones de litio y equipos eléctricos y mecánicos asociados. [21] [22] Cada conjunto de batería 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 BCDU y 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 hay 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 6,5 años y podían superar los 38.000 ciclos de carga/descarga con una profundidad de descarga del 35%. Fueron reemplazados varias veces durante la vida útil prevista de 30 años 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] Existen varias diferencias entre las dos tecnologías de baterías. Una diferencia es que las baterías de iones de litio pueden soportar el doble de carga, por lo que sólo se necesitó 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 antiguas baterías de níquel-hidrógeno. [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/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 Ni-H2 originales de 6,5 años. [25] [24]
El subsistema de distribución y administración de energía opera con un voltaje de bus primario establecido en Vmp , el punto de potencia máxima de los paneles solares. Al 30 de diciembre de 2005 , Vmp era de 160 voltios CC ( corriente continua ). Puede cambiar con el tiempo a medida que las matrices se degradan debido a la radiación ionizante. Los interruptores controlados por microprocesador controlan la distribución de energía primaria en toda la estación. [ cita necesaria ][actualizar]
Las unidades de carga/descarga de 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 batería (cada una con 38 celdas Ni-H 2 conectadas en serie ) y puede proporcionar hasta 6,6 kW a la Estación Espacial. Durante la insolación, el BCDU proporciona corriente de carga a las baterías y controla la cantidad de sobrecarga de la batería. Cada día, la BCDU y las baterías pasan por dieciséis ciclos de carga/descarga. La Estación Espacial tiene 24 BCDU, cada una de las cuales pesa 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 aproximada de voltaje al 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 conjunto funciona con un voltaje y una carga constantes. [34] Las SSU son proporcionadas por SS/L. [26]
Las unidades convertidoras de CC a CC suministran el sistema de energía secundario a una tensión constante de 124,5 voltios CC, lo que permite que el voltaje del bus primario rastree el punto de máxima potencia de los paneles solares.
El sistema de control térmico regula la temperatura de los componentes electrónicos principales de distribución de energía y de las baterías y los componentes electrónicos de control asociados. 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 Estación a Transbordador (SSPTS; pronunciado spits ) permitió que un Transbordador Espacial atracado hiciera uso de 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 más. [35]
SSPTS fue una actualización del transbordador que reemplazó la Unidad Convertidora de Energía de 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 del transbordador de 28 VCC 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 en el módulo de servicio ruso Zvezda . La PTU añade a esto la capacidad de convertir los 120 VCC suministrados por la ISS en la alimentación del bus principal de 28 VCC del orbitador. Es capaz de transferir hasta 8 kW de potencia desde la estación espacial al orbitador. Con esta actualización, tanto el transbordador como la ISS pudieron utilizar los sistemas de energía de cada uno cuando fuera necesario, aunque la ISS nunca más requirió el uso de los sistemas de energía de un orbitador. [ cita necesaria ]
En diciembre de 2006, durante la misión STS-116 , se recableó el PMA-2 (entonces en el extremo delantero del módulo Destiny ) 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 fue 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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