بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به رابطه مستقیمی که بین اتمام ماموریت ماهواره های مدار پایین LEO با تداوم تغذیه انرژی الکتریکی ماهواره وجود دارد در این مقاله به طراحی و شبیه سازی سیستم تامین توان الکتریکی به روش MPPT مبتنی بر الگوریتم بهینه سازی ذرات PSO در محیط نرم افزاری MATLAB پرداخته شد و به کمک این طراحی یک کنترل هماهنگ بین تولید توان ماهواره از انرژی خورشیدی به وسیله سلول های PV و باتری های الکتریکی نسل دوم در تامین بار الکتریکی ماهواره در شبانهروز، مداری و در طول ماموریت ماهواره بوجود آمد که نتیجه آن حصول اطمینان از تامین توان الکتریکی بارهای ماهوارهای مدار LEO در شرایط مختلف بارگذاری و همچنین دما و تابش متفاوت جوی و فضایی گردید.
.1 مقدمه
اگر ماهواره در مسافتهای طولانی توانش تامین باشد میتواند ماموریتش را انجام دهد. اگر چه ماهواره با نارساییهای دیگر میتواند در اطراف زمین کار کند، ولی یک تلف توان یک ضربه مهلک برای ماهواره است. در سالهای اولیه، سیستم قدرت ماهواره یک عامل محدودکننده در طول ماموریت ماهواره بود.
از اینرو زیرسیستم تامین توان الکتریکی وظیفه تولید، ذخیره، توزیع و کنترل توان الکتریکی ماهواره را بر عهده دارد. مهمترین نیازهای اندازهگذاری، تقاضا برای توان متوسط و پیک الکتریکی و پروفایل مداری است. بارهای توان الکتریکی را باید برای عملیات ماموریت در شروع عمر و پایان عمر مشخص کرد. برای بسیاری از ماموریتها، توان مورد نیاز پایان عمر باید کاهش یابد تا افت ناشی از عملکرد خورشیدی را جبران کند. توان الکتریکی متوسط مورد نیاز در پایان عمر اندازه منبع توان را تعیین میکند
-1-1 ماهواره های مدار پایین زمین - LEO -
عموماً ماهوارهها به روی چهار نوع مدار که بستگی به نوع کاربرد ماهواره دارد، قرار میگیرند: مدار پایین زمین - LEO1 - ،مدار قطبی - POLAR2 - ،مدار زمینایست - GEO3 - ،مدار بیضوی. 4 به ماهوارههایی که در در فاصله نسبتاً کمی از سطح زمین قرار دارند، ماهوارههای مدار پایین زمین گفته میشود. بیشترین ارتفاع این نوع ماهوارهها از سطح زمین بین 320 تا 800 کیلومتر است. مسیر حرکت این ماهوارههااز غرب به شرق و همجهت با دَوَران زمین به دور خودش است.
زمان یک دور چرخش به دور زمین در این مدارها، حدود 90دقیقه است. این مدارها در ارتفاع نسبتاً کمی قرار دارند، در نتیجه میتوان اجسام نسبتاً سنگین را با یک سیستم پرتاب کننده ساده در آن مدارها قرار داد. گفتنی است که بیشتر ماهوارههایی که در این مدارها قرار دارند، درصد زیادی - حدود 50 درصد - از وقت خود را در سایه زمین میگذرانند و باید مجهز به باتریهایی باشند که بتوانند وسایل الکترونیک را در این مدت تغذیه کنند. این مدارها معمولاً برای مشاهدات و فعالیتهای ماهوارههای نظامی به کار برده میشوند.
-2 زیر سیستم تغذیه توان الکتریکی ماهواره
معمولا از چهار نوع منبع توان برای ماهواره استفاده می شود. سلولهای خورشیدی فوتوولتائیک رایجترین منبع توان برای ماهوارههای درحال چرخش دور زمین، مستقیما تشعشع تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. منابع توان استاتیک از یک منبع حرارتی برای تبدیل حرارت به الکتریسیته استفاده میکنند. منابع توان دینامیک نیز از یک منبع حرارتی استفاده میکنند، تا با استفاده از سیکلهای Rankine ، stirling و یا Braton توان الکتریکی را تولید کنند. منبع توان چهارم سلولهای سوختی است، که کاربرد آن روی ماموریتهای انسان بر فضاپیما هایی از قبیل Gemini و Apollo ,skylab ,space shuttle میباشد.
منابع توان دینامیک برعکس منابع استاتیک از یک منبع حرارتی و یک مبادلهکننده حرارتی برای راه اندازی یک موتور در یک سیکل توان ترمودینامیک استفاده میکنند. سلولهای سوختی انرژی شیمیایی را از یک واکنش اکسیداسیون به الکتریسیته تبدیل میکنند. آنها ژنراتورهایی هستند که به طور پیوسته بدون نور خورشید کار میکنند اما معمولا باید منبع واکنشدهنده خود را حمل کنند.
زیر سیستم تامین توان الکتریکی ماهواره وظیفه تبدیل و ذخیره سازی انرژی الکتریکی، تبدیل ولتاژ و توزیع و کنترل توان را بر عهده دارد. انرژی خورشید توان مورد نیاز برای شارژ دوباره باتری و حفظ کردن بالانس انرژی در هر مدار را در پایان عمر فراهم میکند و باتری قابل شارژ میتواند توان الکتریکی حالت دائمی - پایدار - و گذرا را برای بارهای ماهواره فراهم میکند.
آرایه خورشیدی توان الکتریکی را در طول دوره روشنایی در سراسر عمر عملیاتی ماهواره تولید میکند و توان کافی را برای تغذیه باس و بارهای ماهواره تامین می نماید. باتری انرژی الکتریکی را برای ماهواره در مرحله - فاز - پرتاب، زمانهای - دورههای - کسوف، و زمانهای حداکثر توان مورد نیاز که فراتر از ظرفیت خروجی آرایه خورشیدی - 1SA - است را فراهم میکند.
رگولاتور آرایه خورشیدی - 2SAR - توان را از آرایه خورشیدی ماهواره به باتری و سایر مصرف کنندهها منتقل مینماید. واحد کنترل توان - 3PCU - توان اصلی - اولیه - را از رگولاتور آرایه خورشیدی در بخشی از مدار که نور خورشید وجود دارد یا از باتری در هنگام کسوف دریافت میکند، و یک باس توان اصلی ایجاد میکند. توان باس اصلی - اولیه - برای شارژ باتری و تأمین توان بارهای ماهواره استفاده میشود، و مبدل ولتاژ پایین در واحد کنترل توان از باس توان اصلی تغذیه می شود.
در طراحی توان ماهواره، همه شرایط محیطی که میتوانند بر قدرت آرایه خورشیدی اثر کنند در نظر گرفته میشوند. بنابراین همه ضریبهایی که بر قدرت ماهواره اثر می-کنند شامل: پروفیل بار، دمای آرایه و اثر سایهاندازی آرایه باید در نظر گرفته شود.
به طور کلی یک سیستم تغذیه توان ماهواره متشکل از آرایه های خورشیدی و باتریها به همراه یک سیستم کنترل هماهنگ بین این دو در جهت تغذیه بار الکتریکی ماهواره در شرایط پیوسته زمانی و محیطی میباشد. از اینرو داشتن اطلاعات کاملی از هر سیستم و مدل سازی صحیحی از آنها میتواند منجر به تحلیل رفتاری درستی از هر یک در شرایط عملی شود.
-1-2 مدل سازی سلول خورشیدی
هر سلول خورشیدی را میتوان با یک مدار معادل الکتریکی به صورت شکل1 مدل کرد:
شکل :1 مدار معادل الکتریکی سلول خورشیدی
پارامترهای مدل فوق عبارتند از::VC ولتاژ خروجی pv ، :جریان اتصال کوتاه سلول، :جریان اشباع معکوس،: Rs مقاومت سری، Tدمای سلول در محیط کار،: q بار یک الکترون، k ثابت بولتزمن، :Rsh مقاومت موازی.
با توجه به اینکه سلولهای خورشیدی تکی، توان، ولتاژ و جریان کمی تولید میکنند، برای رسیدن به ولتاژ و جریان مورد نیاز از مجموعه سلولهای سری و موازی استفاده میشود.
-2-2 مدلسازی باتری الکتریکی
باتری به عنوان منبع ولتاژ با مقاومت درونی پایین کار می کند. مدار معادل الکتریکی آن در شکل - 2 - نشان داده شده است که ولتاژ الکتروشیمیایی درونی و مقاومت درونی است که از طریق روابط - 4 - و - 5 - محاسبه میشوند. کاهش و افزایش خطی را با تخلیه آمپر- ساعت نشان میدهند. یعنی ولتاژ داخلی کمتر و مقاومت درونی در باتری نسبتا تخلیه شده در مقایسه با ارزشهای آنها بالاتر است.
شکل :2 مدار معادل الکتریکی باتری
در اینجا ثابتهای الکتروشیمی یافت شده در منحنی متناسب سازی اطلاعات آزمایش هستند. تحت بار، ولتاژ ترمینال با افزایش بار کاهش یافته و نقطه عملکردی P شامل تلاقی خط باتری و خط بار مانند شکل - - 3 است.
شکل :3 نقطه عملکردی P در محل تلاقی خط باتری و خط بار
-3-2 مدل سازی بار الکتریکی ماهواره
در بیشتر مواقع بار معرفی شده برای تشریح عملکرد یک سیستم تغذیه توان ماهواره به صورت یک بار ثابت فرض میشود که از حیث تحلیل و بررسی سیستم تغذیه توان مطلوب میباشد اما در عمل ماهواره در شرایط مختلف اعم مخابره اطلاعات و عملکرد سخت افزار داخلی سیستم در شرایط جوی مقدار بهره گیری و دیماند درخواستی ماهواره از زیر سیستم تغذیه توان متغییر میبلشد در این مقاله مدل بار معرفی شده یک مدل بار منبع جریانی که تابع شرایط مختلف میتواند از نوع ثابت و افزایشی و یا کاهشی باشد . شکل - 4 - مدل الکتریکی بار ماهواره را نشان میدهد.
