بخشی از مقاله
چکیده
انرژی خورشیدی به عنوان یک انرژی پاک، و در دسترس برای تولید انرژی الکتریکی بسیار مورد توجه می باشد. به همین دلیل همواره به عنوان یک منبع اصلی در سیستم تامین توان ماهواره ها مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله شبیه سازی و طراحی سیستم تامین توان یک ماهواره میکرو در مدار LEO اجرا شده که وزن آن 30 کیلوگرم، توان متوسط آن 25 وات و حداکثر توان، 31 وات می باشد. منبع اصلی انرژی سلول های خورشیدی چند پیوندی می باشند و از باتری های لیتیوم- یون به عنوان منبع ذخیره انرژی استفاده شده است.
به منظور استحصال توان حداکثر یک کنترلر مد لغزشی ترمینال مرتبه کسری طراحی شده و از یک مبدل DC/DC بوست برای انتقال توان به بار بهره گرفته شده است. در نهایت نتایج شبیه سازی که در میحط سیمولینک نرم افزار MATLAB اجرا شده است، مورد ارزیابی قرار گرفته و نتایج بدست آمده با سایر روش های مورد استفاده در طراحی کنترلر زیر سیستم یک ماهواره مورد مقایسه قرار گرفته است. نتیاج شبیه سازی نشان می دهد که استفاده از کنترل کننده مذکور بازده استحصال توان حداکثر خورشیدی را در شرایط فضا بهبود داده و پاسخ رسیدن به پایداری را افزایش می دهد.
-1 مقدمه
ماهوارههای مینیاتوری، ماهوارههای هستند که دارای وزن کم و سایز کوچک، میباشند. طبقهبندی جدیدی که برای گروه بندی این ماهوارهها استفاده میشود، عبارت است از:
ماهوارههای کوچک 200-500 - کیلوگرم - ماهوارههای میکرو - زیر 200 کیلوگرم -
ماهوارههای نانو - زیر 10 کیلوگرم - امروزه این ماهوارهها با توجه به عملکرد مناسب و همچنین هزینه پایین طراحی، ساخت و پرتاب؛ مورد توجه قرار گرفته و در حال توسعه می باشنداصولاً. ماهواره ها از شش سیستم اصلی شامل: انرژی الکتریکی، مخابرات، کنترل وضعیت، کنترل حرارت، سازه و کامپیوتر مرکزی تشکیل میشوند. در این مقاله، سیستم انرژی یک ماهواره میکرو را مورد بررسی و ارزیابی قرار داده و از کنترلری نوین در شبیه سازی این سیستم استفاده مینماییم.
وظیفه اصلی سیستم انرژی الکتریکی ماهواره تامین و مدیریت انرژی برق برای زیر سیستم ها و محموله های بار است. این زیر سیستم ها شامل زیر سیستم تولید برق مانند آرایه های PV، زیر سیستم ذخیره سازی انرژی که شامل باتری ها با ساختار های شیمیایی متفاوت است، زیر سیستم کنترل و توزیع توان مانند مبدل قدرت و واحد شارژ باتری [1] می باشد.
در حال حاضر در حوزه توان فضایی، بسیاری از سیستمهای ماهواره ای با استفاده از آرایه PV بعنوان هسته تامین کننده نیرو، تامین توان میشوند. با وجود تمام مزیتهای ارائه شده توسط تولید انرژی از طریق سلولهای خورشیدی، راندمان این نوع تبدیل انرژی کم است. بنابراین استفاده از تکنیک های استخراج توان از پانل های خورشیدی، به منظور دست یابی به حداکثر بهرهوری می باشد.
با توجه به مشخصه غیر خطی آرایه های PV و تغییرات شدید در تابش و دما طراحی واحد MPPT مهم است و مطالعات متعددی در این زمینه انجام شده است. مانند کنترل مدلغزشی [2] کنترل تطبیقی [3] شبکه های عصبی PSO [4] 5] و[6 منطق فازی [7]جستجوی هرج ومرج [8] همچنین مقالاتی ماندد 9]و[10 که به بررسی و مقایسه الگوریتم های MPPT پرداختند.
همچنین مقالات متعدد دیگری نیز موجود می باشند که بر روی سیستم تامین توان ماهواره ها با قابلیت MPPT کار نموده اند مانند 11]و12 و.[13 یکی دیگر از روش های استحصال توان حداکثر روش مدلغزشی ترمینال است که دارای سرعت همگرایی بالاتری نسبت به کنترل کننده مدلغزشی می باشد که در مرجع [14] بیان گردیده است. حال در این مقاله از روش مدلغزشی ترمینال مرتبه کسری که انتظار میرود دارای بازده بالاتر وهمگرایی سریعتر باشد بهره گیری شده است.
در ادامه به بررسی زیر سیستم تامین توان ماهواره، روش MPPT مورد نظر و ارائه نتیجه شبیه سازی میپردازیم.
-2 مدل سیستم
سیستم تامین توان یک ماهواره را میتوان به چند زیر سیستم تقسیم بندی کرد که از جمله میتوان به ماژول pv، مبدل dc/dc، کنترلر ردیاب توان حداکثر ، باتری لیتیوم - یون ، بار و چند کلید اشاره کرد. که می توانید مدل را در شکل 1 مشاهده شده است.
این ماهواره میکرو با وزن 100 کیلو گرم با حداکثر دمای 50درجه سلسیوس و با توان متوسط 174 وات و حداکثر توان 181 وات در یک مدار LEO در فاصله 400 کیلومتری یه دور زمین می چرخد. پریود مداری ماهواره 92,4 دقیقه است که حداکثر 36 دقیقه در کسوف قرار دارد، این ماهواره در طول شبانه روز15,58 دور به دور زمین میچرخد . مدت ماموریت 3 سال می باشد که در این مدت 17061 بار به دور زمین می چرخد.. برای ذخیره انرژی از باتری نوع لیتیوم - یون استفاده شده است. مبدل DC/DC از نوع افزاینده انتخاب شده و برای مدل سازی بار از مقاومت استفاده گردیده است.
شکل:1مدل سیستم تامین توان ماهواره
-3 سیستم ردیابی نقطه حداکثر توان
سلول PV متشکل از یک پیوند است که در یک مادهی نیمه رسانای چندلایه ایجاد شده است و در تاریکی مشخصه ی ولتاژ-جریان آن مشابه با مشخصه نمایی یک دیود بوده است. توان خروجی این ماژول ها علاوه بر شدت تابش خورشید، به دمای محیط، طول عمر، مشخصه بار و به خصوص ولتاژ خروجی آن وابسته است. بنابراین به ازای شرایط آب و هوایی مشخص تنها در یک نقطه، حداکثر توان تحویل حاصل شده است و از اینرو در اغلب سیستمهای PV جهت تطبیق بار با آرایهی PVبه منظور جذب حداکثر توان، یک مبدل سوییچینگ میان آن دو قرار گرفته است.
با توجه به غیرخطی بودن مشخصه های ولتاژ-جریان و توان- جریان آرایههای PV، توان دریافتی از آنها وابستگی به نقطه کار خواهد داشت، به این معنا که به ازای هر تابش و دمای خاص، یک نقطه کار دارای حداکثر توان میباشد؟ به ازای هر تغییر در میزان تابش یا دما، اقداماتی جهت دستیابی به نقطه کار بیشینه لازم است، صورت گیرد. این اقدامات، ردیابی نقطه حداکثر توان MPPT نامیده شده است. MPPTتوسط مبدلهای الکترونیک قدرت صورت گرفته تا با اعمال ولتاژ مطلوب به دو سر آرایه PV ، حداکثر توان الکتریکی را از آرایه دریافت نماید؟ در واقع هدف از MPPT اعمال ولتاژ مناسب به دو سر آرایه PV برای دریافت بیشترین جریان از آرایه است.
