Báo cáo môn thông tin vệ tinh Phân hệ nguồn vệ tinh

Phân hệ nguồn vệ tinh
Trình bày: Đỗ Trung Đức
Hà Nội, 10/2013
1
Nội dung
1. Giới thiệu
2. Sơ đồ khối
3. Pin
4. Tế bào năng lượng mặt trời
5. Khối quản lý năng lượng
6. Khối phân phối năng lượng
7. Các công thức thiết kế nguồn vệ tinh
2
Giới thiệu
•
Thành phần quan trọng cung cấp năng lượng
cho vệ tinh.
•
Cần tối ưu về chi phí, hiệu năng và khối
lượng.
3
Sơ đồ khối
4
Pin
•
Giúp lưu trữ năng lượng khi không có mặt
trời.
•
Bổ sung năng lượng khi năng lượng mặt trời
không đủ.
•

Cần tối ưu về công suất, khối lượng, giá thành,
thời gian sống.
5
Các công nghệ pin
Battery
Technology
Cell
nominal
Voltage
(V)
Cell average
dischanger
Voltage
(V)
Cell-
specific
Energy
(Wh/kg)
Cel-
specific
Power
(W/kg)
Cost
(k$/Ah)
Operating
temperature
(*C)
Ni-Cd 1.45 1.25 40 – 50 150 –
200
4.02 -20 – 50

Ni-H2 1.55 1.25 45 – 65 150 –
200
7.4 -10 – 50
Li-ion 4.1 3.5 90 – 150 200 –
220
10 10 – 45
6
Các công nghệ pin
•
Ni-Cd: Chủ yếu dùng cho các vệ tinh trên quỹ
đạo LEO.
•
Ni-H2: Chủ yếu dùng cho các vệ tinh trên quỹ
đạo GEO.
•
Pin dựa trên Ni dần dần không được sử dụng
nữa, thay bằng pin Li-ion.
7
Điện áp hệ thống
•
Tùy vào điều kiện cụ thể mà chọn điện áp
khác nhau, thông thường là 28V, 50V và 100V.
Bus Voltage Level
(V)
Number of cell per battery
Ni-Cd Ni-H2 Li-ion
28 20 – 22 20 – 22 6 – 7
50 26 – 30 26 – 30 10 – 12
100 52 – 60 52 – 60 20 – 24
8

Tế bào năng lượng mặt trời
•
Chủ yếu sử dụng công nghệ Silicon (Si) và High
efficiency Silicon (High-n Si).
•
Gần đây có xu hướng sử dụng các công nghệ mới như:
–
GaAs/Ge SJ: Gallium Arsenide single junction
–
GaInP2/GaAs/Ge DJ: Gal-lium Arsenide dual junction
–
GaInP2/GaAs/Ge TJ: Gallium Arsenide triple junc-tion
–
UTJ: Ultra triple junction.
9
So sánh các công nghệ
Solar cell
technology
BOL
efficiency
(28*C)
BOL power
(W/m2)
Cost
(k$/kg)
Mass
(kg/m2)
Si 13.7 185 20 0.55
High-n Si 16 216 50 0.28
GaAs/Ge SJ

19 253 140 0.83
GaInP2/GaAs/Ge DJ
22 297 140 0.85
GaInP2/GaAs/Ge TJ
25 337 150 0.85
UTJ 28 378 170 0.86
10
Tấm năng lượng mặt trời
•
Liên kết các tế bào năng lượng mặt trời lại thành
một mảng (Solar array).
•
Có 3 cách thường được sử dụng:
–
Rotating wings: Có bộ điều khiển cánh xoay về phía mặt
trời.
–
Fixed wings: Sau khi mở cánh ra sẽ giữ nguyên.
–
Body-mounted: Các tấm năng lượng phủ kín bề mặt của
vệ tinh. Thường dùng trong các vệ tinh nhỏ hình hộp.
11
12
Khối quản lý năng lượng
•
Cung cấp năng lượng phù hợp cho hệ thống
nhằm đảm bảo hoạt động và tăng tuổi thọ.
•
Có thể có nhiều chế độ khác nhau tùy theo yêu
cầu cụ thể.

•
Phổ biến là các chế độ:
–
Shunt mode
–
Charge mode
–
Discharge mode
13
Shunt mode
•
Kích hoạt khi năng lượng mặt trời nhận được
vượt quá nhu cầu năng lượng và nhu cầu sạc
pin.
•
1 nhóm tế bào năng lượng gọi là 1 chuỗi.
•
Trong chế độ này, chỉ có 1 số chuỗi được kết
nối với hệ thống, số còn lại được cho ngắn
mạch.
14
Charge/discharge mode
•
Chế độ sạc:
–
Khi V<Vbatmax: Điện áp sạc tăng dần.
–
Khi đạt Vbatmax: Giữ nguyên điện áp sạc, dòng
sạc theo công thức:
•

Chế độ xả: Dùng khi đi vào vùng tối, hoặc khi
cần năng lượng lớn hơn năng lượng nhận được
từ mặt trời
15
Khối phân phối năng lượng
•
Tùy thuộc vào chức năng của vệ tinh mà phân
phối năng lượng cho các khối chức năng riêng
biệt.
•
Thường mỗi khối chức năng sẽ có:
–
Bộ đổi điện áp
–
Mạch quản lý dòng
–
Mạch bảo vệ: Quá áp, quá dòng, điện áp thấp.
16
Các công thức tính toán nguồn
•
.
•
Với vật liệu high-n Si, Floss khoảng 3%.
•

17
Tế bào năng lượng
•
Các yếu tố cần thiết để thiết kế solar array:
–

Quỹ đạo vệ tinh
–
Kiểu đóng gói solar array
–
Loại tế bào năng lượng
–
Điện áp hệ thống
–
Các đặc trưng của vệ tinh
18
Tế bào năng lượng
•
Số lượng cell
19
Tế bào năng lượng
•
Tổng diện tích các tế bào năng lượng
•
Diện tích solar array
20
Pin
•
Các yếu tố đầu vào thiết kế pin:
–
Quỹ đạo vệ tinh
–
Dòng xả trung bình và tối đa
–
Điện áp hệ thống
–

Thời gian sống
21
Pin
•
So sánh DOD của các công nghệ pin
22
Pin
•
Dung lượng pin cần thiết
23
Khối lượng
•
Khối lượng tổng:
•
Khối lượng solar array
•
Khối lượng 1 pin đơn
24
Chi phí
•
Tổng chi phí:
•
Rlaunch là chi phí trung bình trên khối lượng của
khối nguồn. 22k$/kg với GEO, 11k$/kg với LEO
•
Chi phí solar array
•
Trung bình 41k$/m2 (với công nghệ high-n Si và
đóng gói kiểu rotating-wings)
25