طراحی زیرسیستم تأمین انرژی

زیرسیستم تأمین انرژی

زیرسیستم تأمین انرژی یکی از اصلی ترین زیرمجموعه های ماهواره هست 

که وظیفه تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تجهیزات ماهواره، تنظیم کننده ولتاژ در ماهواره و محافظت الکتریکی از بار محموله را برعهده دارد.

اجزاء زیرسیستم تأمین انرژی

1. منابع تولید انرژی اولیه (1-استاتیک 2- دینامیک 3 سلول سوختی)
2. منابع تولید انرژی ثانویه ( انواع باتری های مورد استفاده در ماهواره)
3. شبکه توزیع انرژی (1- سیم کشی ها 2- حفاظت سیستم در برابر خطاها 3-مجموعه اتصالات و سوئیچینگ 4- بخش فرماندهی)
4. کنترل و تنظیم انرژی( 1- کنترل و رگولاسیون باتری 2- مدیریت باتری 3- کنترل و رگولاسیون آرایه )

طراحی زیرسیستم تأمین انرژی

برای طراحی این زیرسیستم با استفاده از بخش طراحی آماری، نوع و جرم آرایه خورشیدی و باتری را مشخص می کنیم.

 

الگوریتم طراحی زیرسیستم تأمین انرژی

شکل 1 الگوریتم طراحی این زیرسیستم را نشان می دهد

محاسبه توان کل مورد نیاز ماهواره

با توجه به پایگاه داده در بخش طراحی آماری به دست آمده هست، 

نمودار جرم خشک بر توان را رسم می کنیم و از روی نمودار توان کل ماهواره محاسبه می شود.

محاسبه جرم زیرمجموعه تأمین انرژی با داشتن جرم کل

برای محاسبه ی جرم این زیرمجموعه می توان با استفاده از گزارش طراحی آماری، 

توسط درصد هایی که در مرجع« space Mission Engineering» مشخص شده است یا از طریق پایگاه داده محاسبه شود.

طراحی و انتخاب آرایه خورشیدی

در این بخش توسط مراحل زیر نوع و جرم آرایه خورشیدی را تعیین می کنیم.

 مشخص کردن نیازها و قیدهای طراحی آرایه خورشیدی

با استفاده از رابطه 1 ابتدا x محاسبه می شود و بعد در رابطه 2 جایگذاری می شود  2a , 

که زاویه ماهواره در سایه هست، محاسبه می شود و بعد با استفاده از رابطه 3  و دوره تناوب, T_e زمان سایه محاسبه می شود

 که این مقدار را در طراحی مدار هم به دست آوردیم.

محاسبه میزان انرژی تولیدی آرایه خورشیدی

میزان انرژی که باید با آرایة خورشیدی، در زمان تابش تولید شود، از رابطه 5 محاسبه می گردد. 

که در آن  ضریب اتلاف انرژی شبکه است که مقدار آن برابر با  98.0 می باشد. 

ضریب سایه است که از رابطه 4 محاسبه می شود.  ضریب استهلاک باتری های خورشیدی است 

که مقدار آن برابر 15.0 می باشد و  زاویه تابش به آرایه خورشیدی است که مقدار آن برابر 5.23 درجه می باشد.

 T عمر ماهواره می باشد.w    توان ماهواره می باشد.

انتخاب نوع آرایه وبرآورد میزان انرژی گرفته شده ازآن

برای یک ماهواره ژئو در ابتدا نوع آرایه را سیلیکونی انتخاب کردیم، با استفاده از جدول زیر  ضریب بازدهی را 14 درصد در نظر می گیریم 

و ثابت تشعشعی خورشیدی است. ازرابطه 6 می توان انرژی که این آرایه ها از خورشید دریافت می کنند را محاسبه کرد.

نوع سلول	سیلیکون	گالیم ارسناید	ایندیم فسفات
بازده تئوری سلول صفحه ای	18%	23%	22%
بازدهی محقق شده	14%	18%	19%
مدت زمان  لازم برای افت 15%(سال)	1	33	155
	2	6	89

 محاسبه توانایی تولید قدرت در ابتدای مأموریت

مقدار انرژی بر واحد سطح در ابتدای مأموریت از رابطه 7 بدست می آید

محاسبه ی افت کیفیت و عملکرد سلول ها

افت کیفی آرایه در طی مأموریت است که شامل موارد زیر می شود :

• تغییرات سیکل گرمایی داخل و خارج از سایه
• ضربات شهاب سنگهای کوچک
• میزان تبخیر گازی ماده در اثر کاهش فشار اتمسفر

با توجه به اینکه  برای ماهواره ژئو نوع آرایه را سیلیکون انتخاب کردیم، 

با استفاده از جدول زیر مقادیر افت سلولی برای سلول های خورشیدی برابر با 75.3 درصد است.

 

نوع سلول	میزان افت سالیانه (درصد)
سیلیکون	3.75
گالیم –ارسناید	2.75
ایندیم فسفات	1.5

 

محاسبه توانایی تولید انرژی آرایه در انتهای مأموریت

با استفاده از رابطه 8 و 7 توانایی تولید انرژی آرایه در انتهای مأموریت از رابطه 9 محاسبه می شود.

تخمین میزان سطح مورد نیاز برای آرایه خورشیدی

 مقدار توان تولیدی توسط آرایه خورشیدی برحسب توان از رابطه 10 محاسبه می شود. 

 مدت زمان سایه و  مدت زمان روشنایی بر حسب دقیقه است.  

توان مورد نیاز در طول سایه و  توان مورد نیاز در طول دوره روشنایی است. 

 کارایی مسیر آرایه به مصرف کننده از طریق باتری ها برابر مقدار ثابت 6.0  است.  

کارایی مسیر از آرایه به مصرف کننده به طور مستقیم برابر مقدار ثابت 8.0 است

 و A_sa  میزان سطح موردنیاز برای آرایه خورشیدی هست که از رابطه 11 محاسبه می شود.

محاسبة میزان جرم آرایه خورشیدی

برای تعیین جرم آرایه از مرجع «برخی ملاحضات در انتخاب سیستم پایدار سازی و کنترل وضعیت ماهواره» استفاده می کنیم.

  چگالی سطحی و  چگالی عملکردی است که از جدول زیر استخراج می شود.

نوع سلول	سیلیکون	گالیم آرسناید	ایندیم فسفات
چگالی سطحی	0.23	0.3	–
چگالی عملکردی			112

مراحل را یک بار دیگر برای آرایه گالیم آرسناید و ایندیم فسفات تکرار می کنیم. 

با توجه به اینکه جرم آرایه ها  باید کمتر از جرم زیرسیستم که در طراحی آماری به دست آوردیم، باشد،

 یک آرایه را انتخاب می کنیم اما برای ماهواره نمونه چون بیشتر ماهواره مخابراتی زمین آهنگ دارای آرایه گالیم آرسناید هستند،

 آرایه گالیم آرسناید را انتخاب می کنیم.

در جدول زیر مشخصات آرایه گالیم آرسناید ، برای ماهواره نمونه را نشان می دهد.

برآورد میزان انرژی گرفته شده ازآن
محاسبه توانایی تولید قدرت در ابتدای مأموریت
محاسبه افت کیفیت
محاسبه توانایی تولید انرژی آرایه در انتهای مأموریت
تخمین میزان سطح مورد نیاز برای آرایه خورشیدی
محاسبة میزان جرم آرایه خورشیدی

تعیین جرم باتری

در این مرحله توسط ظرفیت باتری جرم باتری را محاسبه می کنیم.

محاسبه ظرفیت باتری مورد نیاز

ظرفیت باتری مورد نیاز از رابطه 13 محاسبه می شود که در آن  N_cمقدار متوسط مصرف انرژی در واحد زمان قرار گیری ماهواره در سایه زمین، 

ضریب اتلاف انرژی الکتریکی که برابر با 9 است. ضریب دشارژ  باتری های شیمیای،

 این ضریب با توجه رابطه 14 وشکل 3 براساس نوع باتری ها قابل محاسبه است.

 N_c دررابطه 14 به معنی تعداد سیکلهای شارژ و دشارژ ماهواره است. n تعداد دور ماهواره گرد زمین در 

یک 24 ساعت.  برحسب ساعت است. محاسبات را برای نیکل کادمیوم و نیکل هیدروژن انجام می دهیم.

محاسبه جرم باتری

جرم باتری از رابطه 15 محاسبه می شود. P چگالی انرژی باتری است 

که با توجه به جدول زیر برای نیکل کادمیوم 30 و برای نیکل هیدروژن 60 در نظر گرفته می شود.

برای ماهواره نمونه با توجه به این که باتری بیشتر ماهواره مخابراتی زمین آهنگ نیکل هیدروژن است 

ما هم باتری نیکل هیدروژن را انتخاب می کنیم.

نوع باتری	چگالی انرژی(وات ساعت بر کیلوگرم)
نیکل هیدروژن	60-45
نیکل کادمیوم	30-25

 

سیستم توزیع توان

زیرسیستم توزیع توان یک فضاپیما شامل کابل کشی، محافظت از خطا و… تشکیل شده است. 

در انتخاب نوع توزیع توان، حداقل نگه داشتن تلفات توان، جرم و هزینه و کیفیت توان تمرکز می کنند. 

با توجه به مرجع « Automatic Control in Space 1985»  برای ماهواره نمونه سیستم توزیع توان AC پیشنهاد می شود.

تخمین جرم کل زیرمجموعه تأمین انرژی

جرم بخش کنترل وتنظیم انرژی از رابطه 16  محاسبه می شود.

جرم بخش سیم کشی از رابطه 17 محاسبه می شود.

جرم بخش رگولاسیون ولتاژ از رابطه 18 محاسبه می شود.

جرم کل زیرمجموعه تأمین انرژی از  رابطه 19 محاسبه می شود.

درخت کارکرد محصول زیرسیستم تأمین انرژی

شکل 4 درخت کارکرد و شکل 5 درخت محصول زیرسیستم تأمین انرژی را نشان می دهد.