System zasilania energią (satelita)

Jako systemu zaopatrzenia w energię lub na pokładzie zasilania z satelity są wszystkie systemy do wytwarzania, konwersji , Store- i dystrybucji energii zwanej na pokładach satelitów. W języku angielskim nazywa się to podsystemem dystrybucji energii elektrycznej (EPS lub EPDS).

Przegląd

Dzięki energii jest głównie energię elektryczną do zasilania sterowania i regulacji systemu, a także ładunek (na przykład, czujniki, odbierać i elektroniki transmisji) i inne podzespoły (na przykład za pomocą elektrycznych układów napędowych i systemów podtrzymujących życie w załogą satelity) oznacza. Ogrzewanie i chłodzenie (np. Z czujników i pokładowej elektroniki) są często zasilane przez układ elektryczny, ale są realizowane jako niezależny system kontroli temperatury .

W większości satelitów energia jest dostarczana przez ogniwa słoneczne ze wsparciem ogniw wtórnych ( akumulatorów lub ogniw paliwowych ), jeśli w obszarze blisko Ziemi jest dostateczna jasność słoneczna. W przypadku krótkich okresów użytkowania lub misji, w których użycie ogniw słonecznych nie jest możliwe (np. Emisje przy ponownym wejściu lub lądowaniu), a także podczas rozruchu, energia może również pochodzić z baterii ( ogniw pierwotnych ) lub ogniw paliwowych. W przypadku satelitów, które są dalej od Słońca, a więc podaż energii promieniowania jest zbyt mała lub w których ogniwa słoneczne nie mogą dostarczyć wymaganej mocy, stosuje się również systemy energii jądrowej, na przykład w postaci generatorów radioizotopów, które są znacznie mniejsze niż inne konstrukcje .

Zastosowane systemy zasilania są zaprojektowane w taki sposób, aby mogły pokryć zapotrzebowanie energetyczne satelity we wszystkich stanach pracy (podczas rozruchu, podczas normalnej pracy z włączonymi i wyłączonymi systemami ładunku, podczas zmian orbity, ...). Warunki awaryjne i awarie muszą być również uwzględnione poprzez redundancję i odpowiedni projekt. Jak to zwykle bywa w przypadku podróży kosmicznych, systemy zaopatrzenia w energię stoją przed kompromisem między zapotrzebowaniem na energię, niezawodnością i kosztami (na przykład pod względem wagi i rozmiaru).

funkcjonalność

Zasilanie satelity składa się zwykle z czterech części (podsystemów). Są to wytwarzanie energii, konwersja lub przetwarzanie energii, magazynowanie energii wraz z odpowiednią elektroniką ładowania i rozładowywania oraz dystrybucja energii. Systemy te niekoniecznie muszą być obecne, ponieważ na przykład przy stosowaniu energii jądrowej lub czystych ogniw pierwotnych jako źródła energii nie jest konieczne dodatkowe urządzenie magazynujące energię. Odwrotny przypadek może również wystąpić, jeśli system został zaprojektowany redundantnie ze względów bezpieczeństwa (np. Dodatkowo zainstalowano zasilacz awaryjny z ogniwami pierwotnymi) lub dla niektórych podsystemów satelity (np. Silnik apogeum ) niezależne zasilanie dostosowane do podsystemu (na przykład ponownie w postaci komórek pierwotnych).

Wytwarzanie i konwersja energii

Zasadniczo rozróżnia się wytwarzanie energii w oparciu o pierwotne źródło energii. Mogą to być zewnętrzne źródła energii, takie jak promieniowanie słoneczne lub energia pola pól magnetycznych (słońca lub planet). Ale mogą to być również wewnętrzne nośniki energii, takie jak chemiczne nośniki energii i paliwa jądrowe . Zaletą zewnętrznych źródeł energii jest to, że nie trzeba przewozić odpowiednich paliw. Wadą jest zwykle ograniczona wydajność lub dostępność.

Konwersja dostępnej energii pierwotnej odbywa się albo bezpośrednio (jak na przykład w przypadku ogniw słonecznych, ogniw pierwotnych lub ogniw paliwowych), ale może również odbywać się pośrednio poprzez wytwarzanie ciepła, które jednak wcześniej było wykorzystywane tylko w elektrowniach jądrowych. Powstałe ciepło można przekształcić w energię elektryczną za pomocą turbin lub generatorów MHD, tak jak w przypadku konwencjonalnych systemów instalowanych na ziemi , ale należy zastosować obwody zamknięte (podobne do obwodu pierwotnego systemów energii jądrowej), ponieważ satelity oczywiście nie mają arbitralnie dużej ilości chłodziwa jest dostępny.

Energia chemiczna

Ogniwo paliwowe NASA

Powszechnie znane jest wytwarzanie energii elektrycznej w wyniku reakcji związków chemicznych w postaci baterii (a dokładniej ogniw pierwotnych ). Ogniwa paliwowe są również wykorzystywane w technologii satelitarnej (na przykład w promach kosmicznych ). Ogniwa pierwotne są często używane do zasilania rezerwowego i awaryjnego, ale także do misji krótkoterminowych ( np. Lunar Roving Vehicle ) lub do zasilania systemów rakiety nośnej lub silnika apogeum. Często stosuje się akumulatory z tlenkiem srebra i cynkiem (wcześniej także rtęciowo-cynkowo-cynkowe ), litowo-chlorkowo-tionylowym , litowo-siarkowym i litowo-węglowym . W niektórych przypadkach używane są również baterie termiczne . Ogniwa wtórne (akumulatory) są częściej używane do magazynowania energii (patrz poniżej).

Energia słoneczna

Panele ogniw słonecznych ISS

Energia słoneczna jest najpowszechniejszym źródłem energii w satelitach. Praktycznie wszystkie geostacjonarne i większość satelitów badawczych wykorzystuje panele słoneczne do dostarczania energii. Przetwarzają one wpadające światło słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną poprzez efekt foto bariery . Pierwszym satelitą korzystającym z tej technologii był Vanguard 1 , który został wystrzelony 17 marca 1958 roku. Najczęściej stosowanymi typami są monokrystaliczne jednowarstwowe ogniwa krzemowe (również ogniwa o wysokiej eta ze strukturą powierzchni) i wielowarstwowe ogniwa z arsenku galu , przy czym te pierwsze wykorzystują głównie światło widzialne, drugie również wykorzystują światło z zakresu podczerwieni i UV, uzyskując tym samym wyższy poziom wydajności . Na początku ich żywotności jest to 12 do 14% dla ogniw krzemowych i około 25% dla typów z arsenkiem galu. Jednak wydajność nie jest stała. Pada pod wpływem wysokoenergetycznego (cząsteczkowego) promieniowania emanującego ze słońca, a szczególnie gwałtownie przy wzroście temperatury, co może prowadzić do temperatury roboczej od 60 ° C do ponad 100 ° C na skutek promieniowania słonecznego. Ponadto wartości wydajności pogarszają się z upływem czasu w wyniku tych wpływów ( nazywanych degradacją ) o rząd wielkości do 30% w przypadku ogniw krzemowych i 13% w przypadku ogniw z arsenku galu o żywotności 15 lat. Ten efekt należy wziąć pod uwagę w przypadku satelitów zbliżających się do słońca. Ponadto należy brać pod uwagę lub unikać wpływów mikrometeorytów i zmęczenia materiału z powodu wahań temperatury (podczas wchodzenia / wychodzenia z obszarów zacienionych lub zmian w osiowaniu).

Przepływ cząstek ze słońca (zwłaszcza podczas burz słonecznych ) powoduje kolejny efekt, który należy wziąć pod uwagę podczas projektowania wysięgników ogniw słonecznych. Powierzchnia satelity jest naładowana elektrostatycznie , co prowadzi do różnic potencjałów rzędu kilkuset woltów między sąsiednimi powierzchniami z szybkością kilku woltów na sekundę (na przykład przód i tył ogniw słonecznych). Może to prowadzić do wyładowań elektrycznych i uszkodzenia ogniw słonecznych. Zwarcie ( łuk wtórny ) ogniw słonecznych przez materiał wytrącony podczas (pierwotnych) wyładowań elektrycznych musi być zapewnione przez odpowiednią konstrukcję .

Same ogniwa słoneczne są albo montowane bezpośrednio na powierzchni satelitów (na przykład w przypadku satelitów ze stabilizacją obrotów lub satelitów o niskim zapotrzebowaniu na energię), albo są zaprojektowane jako układy rozkładane lub nieobsługiwane. Tablice są zwykle zaprojektowane tak, aby były w pełni obrotowe w osi rozwijania, aby móc śledzić promieniowanie słoneczne. Ich ciężar strukturalny jest rzędu 100 watów / kg, przy czym należy również wziąć pod uwagę odpowiednie mechanizmy rozkładania i śledzenia , a także urządzenia magazynujące energię niezbędne dla ciężaru i niezawodności. Osiągalna moc zależy od wielkości i wydajności paneli ogniw słonecznych i można ją obliczyć na podstawie tych wartości oraz stałej słonecznej wynoszącej około 1,37 kW na m ² . Jest w zakresie kilku watów dla mniejszych satelitów, ponad 10 kW dla dużych satelitów komunikacyjnych i ponad 100 kW dla ISS.

Oprócz ogniw słonecznych, od czasu pionierskich podróży kosmicznych, wielokrotnie planowano dynamiczne systemy słoneczne o wysokiej wydajności. Zasada działania jest podobna do tej w elektrowniach ziemskich, ale zamiast pierwotnych źródeł energii (węgiel, ropa) światło słoneczne jest wiązane za pomocą luster w celu ogrzewania i odparowywania materiałów roboczych (na przykład ksenon , rtęć lub rubid ), a następnie generowania energii Stosowane są silniki cieplne ( turbiny , generatory , rekuperatory , chłodnice i chłodnice ). Wykorzystuje się fizyczną zasadę procesu kołowego, takiego jak proces Stirlinga , Braytona lub Rankine'a . Możliwe byłoby również zastosowanie generatorów MHD . Pomimo teoretycznych zalet większych systemów, dynamiczne systemy słoneczne nie były jeszcze wykorzystywane do dostarczania energii do satelitów i statków kosmicznych.

Energia nuklearna

Przekrój przez RTG General Purpose Heat Source (GPHS) sondy kosmicznej Cassini-Huygens

Przetestuj migawkę satelitarną za pomocą reaktora jądrowego

Energia jądrowa jako główne źródło energii jest wykorzystywana głównie w satelitach oddalonych od Słońca lub w których ogniwa słoneczne nie mogą dostarczyć wymaganej mocy lub są niepraktyczne ze względu na swoje wymiary i właściwości. Zaletami są ich wysoka niezawodność, długa żywotność i kompaktowe wymiary. Ich wadą jest niezbędna ochrona przed promieniowaniem jonizującym, a przede wszystkim problem akceptacji (patrz też Kosmos 954 ) elektrowni jądrowych, które ze względów bezpieczeństwa muszą być tak zaprojektowane, aby wytrzymały eksplozję wyrzutni lub katastrofę.

Podobnie jak w przypadku ogniw słonecznych, stosowane systemy są podzielone na systemy z bezpośrednią konwersją energii (układy statyczne) i pośrednią konwersją energii (układy dynamiczne). Jednak podobnie jak w przypadku ogniw słonecznych, systemy dynamiczne (których zasada działania jest podobna do zasady działania ziemskich elektrowni jądrowych z procesami kołowymi) nie były jeszcze stosowane.

Obecnie stosowane są głównie systemy statyczne, takie jak generatory radioizotopowe (RTG) oparte na efekcie Seebecka , które są znacznie mniejsze, lżejsze i prostsze niż inne konstrukcje . Mają one sprawność od około 5 do 10%, wagę od 10 do około 100 kg i są stosowane w zakresie mocy do 1 kW mocy elektrycznej. Niektóre z tych systemów mogą być również używane do kontrolowania temperatury sond. Przykładami RTG są systemy SNAP od Ulysses , Galileo lub Voyager oraz niektóre sondy kosmiczne Pioneer . Pierwszym statkiem kosmicznym z generatorem radioizotopowym był satelita Transit 4A , który został wystrzelony 29 czerwca 1961 roku.

W niektórych przypadkach, takich jak amerykański satelita testowy Snapshot i rosyjskie satelity RORSAT , zamiast generatorów radioizotopowych, które współpracowały z termoelektrycznymi (RORSAT) lub termojonowymi (TOPAZ), przetwornikami energii zastosowano prawdziwe reaktory jądrowe . Mają sprawność do 25%, moc elektryczną do 100 kW oraz znacznie bardziej złożoną konstrukcję i większe wymiary. Omówiono je ponownie dla sond kosmicznych z elektrycznym silnikiem rakietowym .

Inne systemy zasilania

Zasadniczo możliwe są również inne rodzaje zasilania satelitów i sond kosmicznych. Pole magnetyczne planet można również wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej. Systemy te, znane również jako więzy elektromagnetyczne , opierają się na indukcji w kilometrach przewodników elektrycznych. Takie systemy były już testowane na lotach wahadłowców STS-46 i STS-75 . Jeszcze bardziej egzotycznymi propozycjami są dostawy satelitów z Ziemi kablem (patrz winda kosmiczna ) lub wiązką laserową , a także zastosowanie fotosyntezy (uprawa roślin) w ogromnych stacjach kosmicznych.

Magazynowanie energii

Porównanie mocy i gęstości energii niektórych systemów magazynowania energii

Z wyjątkiem sond do zadań specjalnych, takich jak sondy kosmiczne, w których energia jądrowa stale dostarcza energię elektryczną, urządzenia do magazynowania energii są niezbędne dla satelitów wyposażonych w ogniwa słoneczne, aby móc utrzymać dostawy energii do satelity, gdy jest niewystarczające promieniowanie słoneczne. Może to mieć miejsce w przypadku cieniowania satelity (na przykład przez Ziemię, co często ma miejsce w przypadku normalnych torów lotu w pobliżu Ziemi) lub nieprawidłowego ustawienia ogniw słonecznych w kierunku słońca (na przykład w przypadku błędów sterowania). Nawet po uruchomieniu satelity, w którym ogniwa słoneczne są zwykle transportowane w postaci złożonej ze względu na przestrzeń, baterie pierwotne lub urządzenia magazynujące energię muszą przejąć zasilanie do czasu rozłożenia ogniw słonecznych.

Ogniwa wtórne (akumulatory) są najczęściej używane jako magazyny energii. Ogniwa paliwowe (na przykład w promie kosmicznym) lub koła zamachowe są również używane rzadziej , chociaż może to być zaletą, że te pierwsze mogą być również zasilane z paliwa statku kosmicznego, a drugie można również wykorzystać do stabilizacji satelity. Należy zauważyć, że urządzenia do magazynowania energii używane na orbitach w pobliżu Ziemi muszą wytrzymać nawet dziesiątki tysięcy procesów ładowania i rozładowywania w ciągu całego życia satelity (czasami kilku lat). Ponadto ich parametry (takie jak pojemność, napięcie, dopuszczalny prąd ładowania lub krzywa ładowania, rezystancja wewnętrzna, ...) muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby spełniały wymagania systemów satelitarnych nawet na końcu ich życia i zawsze miały wystarczający poziom naładowania dzięki elektronice ładującej i źródłu energii mieć.

Zastosowane ogniwa wtórne to głównie akumulatory niklowo-kadmowe , niklowo-wodorowe i litowo-jonowe , które stały się bardziej powszechne od 2000 roku . Żywotność akumulatorów zależy nie tylko od okresu użytkowania (żywotność kalendarzowa czy magazynowanie), ale przede wszystkim od ilości cykli ładowania, głębokości rozładowania oraz prądu rozładowania. W zależności od tych wartości pojemność nominalna i napięcie nominalne maleją w czasie, podczas gdy rezystancja wewnętrzna ogniw wzrasta. Jednak praca poza określonymi parametrami aplikacji (temperatura, maksymalny prąd rozładowania, głębokie rozładowanie lub przeładowanie ) może znacznie skrócić żywotność akumulatorów lub nawet doprowadzić do ich zniszczenia (np. Ryzyko wybuchu ogniw litowo-jonowych w przypadku przeładowania) . -obwody muszą być zabezpieczone. Ponieważ akumulatory składają się z kilku ogniw połączonych szeregowo i / lub równolegle, ładowarki i procesy ładowania muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby parametry były zachowane dla wszystkich ogniw (patrz balanser ). Nominalne napięcie akumulatorów waha się od 1,25 do około 300 woltów, a pojemności od miliamperogodzin do ponad 400 Ah (np. W przypadku teleskopu kosmicznego Hubble ).

Dystrybucja mocy

System dystrybucji energii jest komponentem elektronicznym, który służy do dostarczania i dystrybucji energii (zasilanie napięciem) między pierwotnymi i wtórnymi dostawcami energii (ogniwa słoneczne, RTG, urządzenia do magazynowania energii, ...) a odbiorcami energii (ładunek, ładowarka do urządzenia magazynującego energię, autobus satelitarny z kontrolą termiczną, systemy sterowania. .., ale także ładuj banki na nadmiar energii). Przejmuje również zadania monitorowania, regulacji i bezpieczeństwa, dzięki czemu poszczególne obciążenia mogą być zasilane lub wyłączane, zarówno podczas normalnej pracy, jak iw przypadku awarii, w zależności od ilości dostępnej energii i aktualnego stanu pracy . W związku z tym system musi być zaprojektowany tak, aby był elastyczny, odporny na uszkodzenia i wytrzymały (także w odniesieniu do promieniowania radioaktywnego).

System dystrybucji energii zapewnia zwykle kilka poziomów napięcia (na przykład ± 5, ± 12 i +28 woltów) dla poszczególnych odbiorców, które można ustabilizować i wygładzić w zależności od wymagań . Rozróżnia się sieci pokładowe regulowane (BR), nieregulowane (BNR), częściowo regulowane (BSR) i hybrydowe (BH). Nieregulowana sieć pokładowa oznacza zasilanie sieci pokładowej bezpośrednio z wbudowanych akumulatorów, przy czym stan naładowania określa napięcie w sieci pokładowej oraz konieczność radzenia sobie przez konsumentów z odpowiednio zmiennym napięciem zasilania. Napięcie wejściowe ogniw słonecznych (a tym samym napięcie lub prąd ładowania akumulatorów) jest (wbrew nazwie) tą metodą ograniczane odpowiednimi regulatorami. Zaletą tej metody jest prosta budowa systemu oraz możliwość pracy w zmiennych i impulsowych obciążeniach, co przy wahaniach napięcia zasilania i niebezpieczeństwie trwałej awarii sieci pokładowej (zanik zasilania) na skutek pracy ogniw słonecznych w niekorzystnych warunkach pracy (praktycznie zwarcie ogniw słonecznych o poziom naładowania akumulatora jest zbyt niski). W przypadku regulowanych sieci pokładowych napięcie pokładowe jest pobierane z akumulatora i ogniw słonecznych za pośrednictwem odpowiednich regulatorów. W przypadku częściowo regulowanej sieci pokładowej regulacja ta ma miejsce tylko wtedy, gdy ogniwa słoneczne dostarczają wystarczającą ilość energii elektrycznej. W przypadku autobusu hybrydowego dostępne są zarówno regulowane, jak i nieregulowane napięcia pokładowe (samoloty, sekcje). Sama regulacja odbywa się we wszystkich procesach za pośrednictwem falownika , przetwornika , banku obciążenia lub regulatora napięcia . W ogniwach słonecznych jako dostawca energii nadal rozróżnia się bezpośredni lub pośredni transfer energii, przy czym pierwsze ustawienie ogniwa słoneczne bezpośrednio zasilają szynę zasilającą, a drugie za pośrednictwem konwertera DC-DC ( konwerter DC-DC) do zasady śledzenia punktu maksymalnej mocy .

Poziom napięcia wyjściowego systemów zależy od mocy 28 V (do 3,5 kW), 50 lub 65 V (do około 10 kW) i około 100 V (jeśli więcej niż 10 kW, na przykład z ISS) dla regulowanego Sieci pokładowe i 28 V (do 2 kW) i 35 lub 42 V (ponad 2 kW) ustanowione dla nieregulowanych sieci pokładowych.

Przykłady

Indywidualne dowody

1. ↑ ^{a b c} Ley, Wittmann, Hallmann; Podręcznik technologii kosmicznych; ISBN 978-3-446-41185-2 .Linki zewnętrzne
2. ↑ Heinz Mielke, Transpress Lexicon: Raumfahrt - Weltraumforschung, VLN: 162-925 / 123/86
3. ↑ Emcore: Space Solar Cells ( Memento z 22 kwietnia 2009 w archiwum internetowym )
4. ↑ Spectrolab: Arkusze danych paneli słonecznych (PDF; 190 kB)
5. ↑ Bernd Leitenberger: Elementy radioizotopowe na pokładzie sond kosmicznych
6. ↑ Saft Batteries: Space Batteries ( Pamiątka z 14 maja 2009 r. W archiwum internetowym )
7. ↑ NASA: Warsztaty akumulatorowe Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda z 1984 r. (PDF; 22,8 MB)
8. ^ NASA: Podręcznik bezpieczeństwa baterii NASA w kosmosie
9. ↑ Baterie i ogniwa paliwowe w kosmosie ( Pamiątka z 26 lutego 2015 r. W archiwum internetowym ) (PDF; 105 kB)
10. ↑ SSETI ESMO Wstępna misja / działania projektowe systemu Opis podsumowania projektu podsystemu statku kosmicznego. (PDF; 92 kB) (Nie jest już dostępny online). Dawniej w oryginale ; Źródło 1 maja 2009 r .  ( Strona nie jest już dostępna , szukaj w archiwach internetowych )@ 1@ 2Szablon: Dead Link / www.gel.usherbrooke.ca  
11. ↑ Thales Alenia Space: Electrical Power Systems ( Memento z 19 kwietnia 2016 r. W archiwum internetowym ) (PDF, angielski; 5,9 MB)
12. ↑ TU Delft: Źródła energii kosmicznej (przegląd) ( Memento z 4 sierpnia 2012 w archiwum internetowym. Dzisiaj )