Nezávislý testovací modul experimentálního napájecího zdroje pro malý satelit

Podrobnosti

Kategorie: Témata studentských projektů SGS

Cílem SGS projektu a případně navazující diplomové práce je realizovat samostatný modul experimentálního napájecího zdroje, který optimálně získává energii ze solárních článků, tuto energii uskladňuje v akumulátorech a superkapacitorech pro pozdější použití a transformuje ji na požadovanou napěťovou úroveň pro napájení připojených spotřebičů. Návrh by měl využívat součástky bez vysoké hustoty integrace kvůli spolehlivosti v radiačně nepříznivém prostředí kosmických družic a mít bezpečně řešené ochrany při chybových stavech. Součástí modulu by byl jednoduchý integrovaný transceiver pro přenos dat měřených na experimentálním napájecím zdroji.

Napájecí zdroje pro satelity vyžadují co nejefektivnější nakládání s elektrickou energií vzhledem k omezeným možnostem její výroby z malé plochy solárních článků s nízkou účinností. Je nutné ze solárních článků získávat maximum možného příkonu a vyrobenou energii uskladnit pro pozdější využití s minimem ztrát.

Voltampérová charakteristika solárního článku je závislá na jeho teplotě a intenzitě osvětlení, maximum možného výkonu je tedy možné za daných podmínek odebírat pouze při přizpůsobené hodnotě impedanční zátěže. Pokud je solární článek provozován bez aktivního řízení zátěže, nikdy negeneruje tolik elektrické energie, kolik by mohl. Z tohoto důvodu se energie ze solárního článku odebírá přes spínané měniče pracující v tzv. MPPT (maximum power point tracking) režimu, kdy je impedanční zátěž článku stále měněna s cílem pracovat v optimálním bodě volt-ampérové charakteristiky.

K ukládání elektrické energie v satelitech se používají akumulátory s vysokou měrnou hustotou energie (Wh/kg), tj. zejména Li-Ion a Li-Pol akumulátory. Nevýhodou zmíněných akumulátorů je jejich vysoká citlivost na provozní teplotu, přebíjení a podbíjení, kdy při překročení mezních podmínek může dojít k explozivnímu zničení akumulátoru. Další nevýhodou těchto akumulátorů je jejich rychlé stárnutí (ztráta kapacity, zvyšování vnitřní impedance a samovybíjecího proudu) s rostoucím počtem nabíjecích a vybíjecích cyklů, přičemž během 1 roku činnosti v satelitu na nízké orbitální dráze může být těchto cyklů i více než 5000. Z tohoto důvodu se pro dlouhodobou činnost musí kapacita použitých akumulátorů silně naddimenzovat a přicházíme tak o výhodu jejich vysoké měrné hustoty energie.

K ukládání elektrické energie je také možné použít moderních součástek na bázi nanočástic, tzv. superkapacitorů, které mají sice měrnou hustotu energie nižší než akumulátory, ale vzhledem k jejich menší teplotní závislosti a řádově delší životnosti nemusíme jejich kapacitu tolik naddimenzovat. Vykazují i velmi dobré vlastnosti z hlediska nízké vnitřní impedance a malé hodnoty samovybíjení, můžeme je rovněž hluboce vybíjet bez rizika jejich zničení.

Navržený experimentální zdroj by měl solární článek využívat v MPPT režimu a získanou energii uskladňovat v superkapacitorech jako zásobníku okamžitě dostupné energie s nízkou impedancí. Přebytek energie by se měl ukládat do akumulátoru, ze kterého by se v případě potřeby přečerpávala zpět do superkapacitoru. Akumulátor by měl mít řešenu ochranu odpojením proti hlubokému vybití nebo přebití. Pro plánování energeticky náročných činností satelitu by napájecí zdroj měl dávat informaci o množství uložené energie, tj. měl by provádět měření napětí a proudů v jednotlivých částech. Napájecí zdroj by měl mít schopnost regenerace a spuštění z nulového stavu, tj. i při bezpečnostním odpojení akumulátoru a úplném vybití superkapacitoru by měl být schopen, byť bez řízení a MPPT režimu, po osvitu solárních článků začít autonomně nabíjet superkapacitor a postupně přejít do plně řízené činnosti s MPPT režimem.

Ideovou koncepci napájecího zdroje lze hledat v moderních obnovitelných zdrojích pro tzv. ostrovní systémy, kdy elektrická energie je generována souběžně několika zdroji (solární, větrná, ...), které průběžně kolísají, musí se vhodně slučovat a energie se musí dlouhodoběji skladovat v akumulátorech pro pozdější využití. V satelitu budou roli různých zdrojů energie hrát solární články z několika stěn satelitu, jejichž produkce bude kolísat v závislosti na natočení satelitu vůči Slunci. Všechna měřená data na zdroji (množství generované energie, účinnosti konverze a skladování, vlastnosti zásobníků energie) se musí přenášet jednoduchým radiokomunikačním modulem do pozemního střediska.