А.К. Атанов, С.К. Атанов
Система энергообеспечения микроспутника
(Евразийский национальный университет им.Л.Н.Гумилева, г.Астана)
Работа посвящена системе энергопитания микроспутника, состоящей из солнечных батарей, аккумуляторов и платы управления электроэнергией. Рассматриваются аспекты применения солнечных батарей, выбор аккумуляторов и варианты построения системы управления.
Создание и использование микро- и наноспутников для проведения научных экспериментов и исследований в условиях космоса и невесомости в настоящее время вызывает большой интерес у ученых по всему миру. Это связано с относительной дешевизной запуска подобных космических аппаратов в виде попутной нагрузки. На микроспутнике устанавливается различная аппаратура, для функционирования которой нужна электроэнергия. Для обеспечения уст-ройств электроэнергией на спутник устанавливается система энергопитания (СЭП), которая состоит из солнечных батарей (СБ), аккумуляторов и модуля управления электроэнергией. Эффективность работы СЭП зависит от выбранных типов СБ и аккумуляторов, способа соединения отдельных панелей СБ, и системы управления электроэнергией. В состав системы управления электроэнергией входят блок работы с СБ, блок заряда аккумуляторов и модуль, управляющий работой обоих блоков. Функции СЭП сводятся к трем задачам: питание аппаратуры, зарядка аккумуляторов от СБ на освещаемой Солнцем части орбиты и обеспечение электроэнергией от аккумуляторов на неосвещаемой части орбиты.
В качестве объекта рассмотрения был выбран микроспутник, имеющий форму куба с ребром 0,4 м. В работе приведены характеристики солнечных батарей из таких материалов, как Si и GaAs. Главное отличие последних в большей отдаваемой мощности, за счет чего можно уменьшить количество размещаемых на спутнике панелей СБ. Был произведен расчет, в результате которого выяснено сколько мощности можно получить от СБ на одной грани при перпендикулярном падении света на нее. Результаты оценочного расчета показали, что получаемая мощность изменяется в пределах от 21 до 41 Вт в зависимости от типа СБ (при использовании 70 % площади грани). Также важным фактором, определяющим вырабатываемую мощность, является способ соединения отдельных граней куба. Анализ показал, что оптимальным является соединение, при котором все стороны включены параллельно через диоды (рисунок 1). При таком соединении в случае повреждения одной из граней, блок СБ продолжит работу, вырабатывая меньшее количество мощности.
В процессе полета спутник будет вращаться с некоторой угловой скоростью. Это будет влиять на значение вырабатываемой мощности, так как при вращении будет меняться освещенность граней куба.
Чтобы оценить степень влияния вращения микроспутника на вырабатываемую мощность, была разработана математическая модель,
описывающая зависимость мощности, вырабатываемой СБ при произвольной ориентации спутника кубической формы.
Рисунок 1. Соединение сторон
В модели рассматриваются три грани куба, который может поворачиваться в двух плоскостях. Моделирование показало, что в зависимости от ориентации микроспутника, мощность может изменяться почти в 2 раза.
Анализ существующих типов аккумуляторов показал, что для микроспутника целесообразно использовать один из двух типов аккумуляторов: никелькадмиевые или литий-ионные. Выбор в пользу последних был сделан вследствие того, что они имеют большее рабочее напряжение, большую плотность энергии и характеризуются отсутствием эффекта памяти. Модуль заряда литий-ионных аккумуляторов состоит из:
блока управления зарядом аккумуляторов, блока контроля состояния, передающего инфомацию о состоянии аккумуляторов микроконтроллеру, блока защиты по току и напряжению.
В докладе предлагается способ построения системы управления электроэнергией, в основу которого положен контроль напряжения на шине питания и управление током заряда аккумуляторов.
Принцип работы системы управления электроэнергией заключается в постоянном слежении за напряжением на шине питания. При появлении спутника на освещенной стороне орбиты, напряжение начинает возрастать, и система управления периодически тестирует нагрузочную способность СБ.
Рисунок 2. Структурная схема системы управления электроэнергией
Как только вырабатываемой мощности станет достаточно для питания спутника, система управления электроэнергией переведет все системы на питание от солнечных батарей. После этого система управления будет
обеспечивать наибольший требуемый ток зарядки аккумуляторов, одновременно следя, чтобы напряжение на шине питания не опустилось до определенного порога. Автоматическая подстройка тока заряда будет производиться до тех пор, пока спутник не зайдет в тень Земли. Структурная схема системы управления электроэнергией приведена на рис. 2.
Таким образов, применение микроконтроллерной системы энергоснабжения микроспутника позволит эффективное работать на функционирование бортовой аппаратуры спутника электроэнергией используемой солнечная батарея (СБ), работая на освещенной стороне орбиты на нагрузку и на заряд химической аккумуляторной батареи. На теневой стороне питание потребителей осуществляется от химической аккумуляторной батареи, что позволить обеспечить непрерывность работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дьяконов В.П. Vissim+Mathcad_MATLAB. Визуальное математическое моделирование. –М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2004. -384с.
2. http://microsat.sm.bmstu.ru
3. http://www.amsat.org/amsat/sats/n7hpr/satsum.html
Атанов А.К., Атанов С. К.
Микроспутниктiң энергия қамтамасыз етуiн жүйе
Жұмыс серiктiң энергия қоректенуiн күн батарея тұратын жүйеге арналған, аккумулятор және электр энергиясын басқаруды төлем. Аккумуляторлардың күн батареялардың қолдануының тұрғылары, таңдауы және басқару жүйесiнiң құрастыруының варианттарын қаралады.
Atanov A.K. , Atanov S.K.
System of power supply of the microcompanion
Work is devoted system of a power food of the microcompanion, consisting of solar batteries, accumulators and a payment of management by the electric power. Aspects of application of solar batteries, a choice of accumulators and variants of construction of a control system are considered.
