Введение 

Изучение и освоение космоса требует развития и совершенствования космических аппаратов (КА) различного назначения. Основным источником энергии для систем электропитания КА сейчас и в ближайшее обозримое время, очевидно, будут солнечные батареи (СБ).

Солнечные батареи современных КА состоят из десятков и даже сотен тысяч отдельных солнечных элементов, соединённых параллельно-последовательно с целью обеспечения требуемых номиналов тока и напряжения батареи в целом; их правильное применение в значительной степени определяет надёжность и ресурс работы КА.

 

Постановка задачи

 

Для анализа энергетических процессов в автономных СЭП в настоящее время целесообразно использовать методы компьютерного имитационного моделирования. Это позволяет оценить:

— обеспечение энергобаланса в автономных СЭП при известных энергетических характеристиках основных и буферных источников энергии и временной диаграмме энергопотребления со стороны нагрузки;

— влияние энергетических характеристик СЭП на обеспечение энергобаланса в системе в условиях временных изменений энергетических характеристик источников электропитания;

— влияние на энергетические характеристики СЭП таких параметров, как освещённость солнечной батареи, температура, время года, и т.п.

 

Для проведения анализа необходимо разработать модель автономной системы электропитания, состоящей из солнечной и аккумуляторной батарей, а также импульсного стабилизатора напряжения.

 

Расчёт параметров элементов модели

 

В качестве примера рассмотрим спутник Экспресс-МД-2 со следующими параметрами:

- Мощность, потребляемая нагрузкой = 1300 Вт

- Допустимая глубина разряда АКБ 15 В – 40 %

- Максимальное количество часов отсутствия солнечной энергии – 3 часа (подряд)

- Напряжение АБ = 24 В.

 

Тогда ёмкость аккумулятора батареи:

Выбираем свинцово-кислотный аккумулятор серии Sinonteam FM, ёмкостью 150 Ач, напряжением 12В. Для обеспечения напряжения 24 В две батареи соединяются последовательно, параллельно-последовательно к ним подключаются ещё 4 батареи; всего батарей требуется 6.

Далее выбираем солнечную батарею. Мощность, которую необходимо генерировать СБ:

,

Где где Pн.ср- мощность необходимая нагрузке;

- КПД контроллера заряда/разряда, АБ;

k≈0.83- коэффициент учитывающий угол, зависящий от продолжительности светового дня;

tсут=24- количество часов в сутках;

tосв=21-время которое панель находиться под воздействием солнечного излучения.

P.н.ср = 1300 Вт.

 

 

Выбираем монокристаллический солнечный модуль LP280-24M, максимальная мощность которого Р=280 Вт. Необходимое количество солнечных модулей: 2340/280 = 8,357 => модулей.

 

Модель солнечной батареи

 

Параметры монокристаллического солнечного модуля LP280-24M:

Рmax = 280 Вт, Uxx = 42,48 В, Ikz = 8.55 A, Iopt= 7,78 A, Uopt = 36 В.

 

На рисунке 1 изображена модель монокристаллического солнечного модуля LP280-24M с соответствующими параметрами.

 

 Рисунок 1 – модель монокристаллического солнечного модуля LP280-24M OrCAD 9.2

 

На рисунке 2 представлены вольтамперная и вольтваттная характеристики монокристаллического солнечного модуля LP280-24M.

 а – вольтамперная характеристика

б – вольтваттная характеристика

Рисунок 2 – характеристики солнечной батареи, приведённой на рисунке 1

 

Для достижения мощности 2340 Вт необходимо соединить модули каскадом:

 

 Рисунок 3 – каскадное соединение солнечных модулей

 

Модель импульсного стабилизатора напряжения

 

Для оптимизации работы СЭП и была разработана энергетическая модель ИСН ПН. Модель ИСН ПН состоит преимущественно из функциональных блоков и не учитывает импульсный характер преобразования энергии в ИСН, что позволяет существенно снизить затраты времени при исследовании.

Структурная схема энергетической модели ИСН ПН изображена на рисунке 4.

 Рисунок 4 – структурная схема энергетической модели ИСН ПН

 

Функциональный блок Ф.Б. 2 выполняет две функции:

1) Обеспечение стабилизации выходного напряжения в номинальных режимах работы.

2) Прерывание режима стабилизации при снижении входного напряжения ниже уровня напряжения стабилизации.

Если величина входного напряжения превышает значение U_stabil на величину большую, чем на значение, задаваемое блоком U_ust, на выходе блока Ф.Б. 2 устанавливается значение 0, а на выходе модели ИСН устанавливается уровень, определяемый блоком U_stabil. В противном случае уровень сигнала на выходе блока Ф.Б. 2 будет возрастать, а выходное напряжение будет рассчитываться по формуле  Uвых= =Uвх–U_ust.

Функциональный блок Ф.Б. 3 предназначен для защиты по току. Если величина выходного тока не превышает величину, задаваемую блоком, на выходе блока Ф.Б. 3 устанавливается 0. В противном случае уровень напряжения на выходе Ф.Б. 3 линейно увеличивается, а уровень напряжения на выходе ИСН линейно уменьшается.

Источник напряжения, управляемый напряжением, Е1 с коэффициентом передачи 1, обеспечивает требуемое значение напряжения на выходе ИСН. Датчик тока ДТ предназначен для определения тока Iн в выходной цепи (нагрузка подключается к выходным клеммам модели). Мощность, потребляемая нагрузкой, определяется по формуле Pвых=Uвых·Iн. Ток нагрузки может меняться в зависимости от величины Rн; соответственно будет меняться мощность Pвых.

Функциональный блок Ф.Б. 1 предназначен для расчета коэффициента полезного действия модели ИСН и выходного тока модели. Значение КПД определяется в виде функции η=f(Uвых, Uвх, Pнагр). Величина Pвх рассчитывается по формуле Pвх=Pвых/η. После чего рассчитывается входной ток Iвх=Pвх/Uвх. Таким образом, мощность, потребляемая нагрузкой Pвых равна (с учётом КПД) мощности на входе ИСН.

Функциональный блок Ф.Б. 4 предназначен для расчета астатической ошибки модели ИСН. В номинальном режиме работы величина астатической ошибки рассчитывается по формуле ∆=(Uвх–U_stabil)·0,001. При снижении входного напряжения до уровня напряжения стабилизации величина астатической ошибки становится равной нулю.

 Рисунок 5 – модель ИСН ПН, созданная в пакете OrCAD 9.2 с использованием функциональных блоков

 

Тестирование модели проведено в трёх режимах: режиме стабилизации выходного напряжения и режиме стабилизации выходного напряжения с демонстрацией режима снижения выходного напряжения при уменьшении входного напряжения и режиме ограничения выходного тока.

 

 Рисунок 6 – временная диаграмма режима стабилизации выходного напряжения

 

 Рисунок 7 – временная диаграмма режима прерывания стабилизации выходного напряжения с демонстрацией снижения выходного напряжения при уменьшении входного напряжения

 

 Рисунок 8 – временная диаграмма режима тока ограничения

 

Модель аккумуляторной батареи (АКБ)

 

 Рисунок 9 – модель аккумуляторной батареи

            Модель АКБ (рисунок 9) состоит 6 аккумуляторных батарей, соединённых последовательно-параллельно и зарядного устройства. Ёмкость аккумуляторных батарей эквивалентна ёмкости свинцово-кислотного аккумулятора Sinonteam FM 12 В.

Принцип работы модели АКБ состоит в следующем: Аккумуляторные батареи заряжаются через источник импульсов V3, при условии, что напряжение, поступающее на ЗУ от солнечной батареи выше опорного напряжения – 27,5 В (начальное напряжение на аккумуляторе – 8 В). Если напряжение солнечной батареи становится ниже этого уровня, заряд батареи прекращается; нагрузка продолжает питаться от солнечной батареи. При снижении напряжения солнечной батареи ниже 24 В нагрузка начинает питаться от солнечной батареи; начинается процесс разряда. При дальнейшем увеличении входного напряжения нагрузка вновь начинает питаться от солнечной батареи, и начинается заряд аккумулятора.

 

 Рисунок 10 – Процессы зарада аккумулятора

 

Модель СЭП

 

На рисунке 11 изображена СЭП, состоящая из уже рассмотренных солнечной и аккумуляторных батарей, а также ИСН ПН.

 

 Рисунок 11 – модель СЭП

 

В номинальном режиме работы модели напряжение на выходе каскада солнечных батарей Uсб = (42,48 В * 9) = 382,32 В, напряжение на нагрузке Uнагр = 27 В,что подтверждается в ходе тестирования:

           Рисунок 12 – тестирование модели СЭП в номинальном режиме

            В случае, кгода входное напряжение снижается, АБ питает нагрузку, что и продемонстрированно на рисунке 13. Таким образом, осуществляется обеспечение энергобаланса системы, => поставленные задачи выполнены.

           Рисунок 13 – тестирование модели СЭП в режиме работы АБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

 

 

 

Библиографический список

1. Раушенбах, Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: пер. с англ. / Г. Раушенбах – М. : Энергоатомиздат, 1983. – 360 с.
2. Соустин, Б.П. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев – Новосибирск : Наука : Сиб. изд. фирма, 1994. – 318 с.
3. Капулин Д.В. – Методические указания к выполнению лабораторных работ.
4. Мелешин, В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И. Мелешин – М.: Техносфера, 2005 – 632 с.
5. Разевиг, В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2 / В.Д. Разевиг – М, 2001. – 520 с.
6. Ю.В. Клунникова, Е.Б. Лукьяненко, В.В. Кальсков, А.В. Кальсков – МОДЕЛИРОВАНИЕ ПР-ОЦЕССОВ В ЗАРЯДНОМ УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ АККУМУЛЯТРОВ – Электротехнические комплексы и системы управления, №3 – 2001г.
7. Хрусталев, Д.А. Аккумуляторы / Д.А. Хрусталев. – М. : Изумруд, 2003.

---

Все статьи автора «Сергей Пост»