ESRO SP-12 Décembre 1966 TECHNOLOGIE DES VÉHICULES SPATIAUX VOL. IV : SOURCES DE PUISSANCE DANS L'ESPACE Comptes rendus de la deuxième Ecole d'eté du CERS-ESRO, Oxford, 1964 ORGANISATION EUROPÉENNE DE RECHERCHES SPATIALES EUROPEAN SPACE RESEARCH ORGANISATION 114, avenue de Neuilly, 92 Neuilly-sur-Seine (France)
TABLE DES MATIERES Conférence No. 34- LES SOURCES DE PUISSANCE DANS L'ESPACE 1. ENERGIES UTILISABLES DANS L'ESPACE: METHODES DE CONVERSION 2 2. ENERGIE CHIMIQUE 3 3. ENERGIE SOLAIRE, 4 4. ENERGIE NUCLEAIRE 6 REFERENCES 8 FIGURES 9 Conférence No. 35 LA CONVERSION DIRECTE DE L'ENERGIE CHIMIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE: BATTERIES ET PILES A COMBUSTIBLE 1. LES BATTERIES CHIMIQUES RECHARGEABLES 13 1.1 Les batteries nickel-cadmium 14 1.2 Les batteries argent-cadmium 19 1.3 Comparaison des batteries Ni-Cd et Ag-Cd 22 1.4 Amélioration possible : l'électrode auxiliaire 23 2. LES PILES A COMBUSTIBLE 24 2.1 Les piles dérivées de la pile de Bacon 24 2.2 Les piles à membranes 26 2.3 Courbe caractéristique, densité de puissance 28 2.4 Rendement, puissance thermique à évacuer 28 2.5 Les piles des missions GEMINI et APOLLO 29 REFERENCES 34 FIGURES 35 iv
Conférence No. 36 CONVERSION DE L'ENERGIE LUMINEUSE EN ENERGIE ELECTRIQUE: LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES AU SILICIUM 1. L'EFFET PHOTOVOLTAIQUE 41 1.1 Caractéristique courant-tension d'une cellule photovoltaique 42 1.2 Efficacité spectrale de collection: Calcul du courant de court-circuit 50 1.3 Influence de l'épaisseur de la couche antérieure 53 1.4 Rendement d'une cellule solaire 54 2. FABRICATION DES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES AU SILICIUM 56 2.1 Tirage du monocristal 56 2.2 Diffusion 57 2.3 Réalisation des électrodes 57 2.4 Finitions 58 2.5 Performances d'une cellule solaire 58 3. PROBLEMES PARTICULIERS RELATIFS A L'UTILISATION DES CELLULES SOLAIRES DANS L'ESPACE 59 3.1 Influence de la puissance lumineuse incidente 59 3.2 Influence de la température 60 3.3 Action des électrons et des protons sur les cellules solaires au silicium 61 4. NOTIONS ELEMENTAIRES SUR LE CALCUL D'UN GENERATEUR SOLAIRE 65 4.1 Description générale du générateur 65 4.2 Cas de panneaux orientés vers le soleil 66 4.3 Cas d'un satellite non orienté 68 4.4 Assemblage des cellules 71 4.5 Quelques caractéristiques d'un générateur solaire 71 REFERENCES 72 FIGURES 73 v
LA CONVERSION DE L'ENERGIE THERMIQUE EN ENERGIE ELECTRIQUE Conférence No. 37 LA CONVERSION THERMODYNAMIQUE 1. LES CYCLES THERMODYNAMIQUES ENVISAGEABLES DANS L'ESPACE... 89 1.1 Le cycle de Rankine 90 1.2 La machine Philips 92 1.3 Le cycle de Brayton 93 2. LE REACTEUR 93 3. LE RADIATEUR 95 3.1 Choix de la forme du radiateur, problème du blindage 96 3.2 Protection contre les micrométéorites 99 3.3 Température optimale de fonctionnement du radiateur, cas du cycle de Rankine 102 4. LES GENERATEURS NUCLEAIRES AMERICAINS 105 4.1 SNAP-2 105 4. 2 SNAP-8 106 4.3 SNAP-50 107 REFERENCES 108 FIGURES 109 Conférence No. 38 LES DIODES THERMOIONIQUES 1. INTRODUCTION 117 2. GENERALITES SUR LA CONVERSION THERMOIONIQUE 118 vi
2.1 Schéma de principe de la diode thermoionique us 2.2 Emission électronique 11B 2.3 Les deux types de diodes 121 3. LES DIODES A PLASMA DE CESIUM 123 3.1 Emission électronique d'un métal en présence de vapeur de césium 123 3.2 Utilisation du réseau de courbes 124 3.3 Neutralisation de la charge d'espace 124 3.4 Transition entre les deux mécanismes d'ionisation 130 3.5 Forme théorique des caractéristiques 130 4. ETUDE DU RENDEMENT 131 4.1 Etude du rendement d'un convertisseur sans pertes 132 4.2 Rendement d'un convertisseur réel 134 5. REALISATION DES DIODES THERMOIONIQUES 140 5.1 Matériaux émetteurs 141 5.2 Etat actuel des réalisations 142 6. LA CONVERSION THERMOIONIQUE ET LE REACTEUR NUCLEAIRE 142 6.1 Conversion interne 142 7. CONCLUSION REFERENCES 146 147 FIGURES 148 Conférence No. 39 LA CONVERSION THERMOELECTRIQUE 1. LES PROCESSUS THERMOELECTRIQUES 167 1.1 Force électromotrice de Seebeck 167 1.2 Effet Peltier 168 vii
1.3 Effet Thomson 168 2. RELATIONS DE KELVIN 169 2.1 Bilan énergétique 169 2.2 La variation d'entropie est nulle 171 2.3 Loi du conducteur intermédiaire 172 2.4 Pouvoirs thermoélectriques absolus 173 2.5 Géométrie pratique des thermocouples 174 3. RENDEMENT D'UN COUPLE THERMOELECTRIQUE 174 3.1 Expression du rendement 174 3.2 Optimisation du circuit d'utilisation 177 3.3 Optimisation des thermocouples 179 3.4 Optimisation du générateur 180 4. CHOIX DES MATERIAUX 182 4.1 Facteur de qualité d'un matériau 182 4.2 Variation de 0, k, p avec le dopage 183 4.3 Variation de 0, p, k et Z avec la température 183 5. THERMOELEMENTS UTILISABLES DANS L'ESPACE ET MISE EN OEUVRE 184 5.1 Influence des radiations 185 6. QUELQUES EXEMPLES D'UTILISATION DANS L'ESPACE 185 6.1 Générateurs isotopiques 185 6.2 SNAP-10A 187 REFERENCES, 190 FIGURES 191 viii