Система энергоснабжения космического аппарата для наблюдений за Солнцем
Министерство
образования и науки, молодежи спорта Украины
Национальный
Аэрокосмический Университет
имени Н. Е.
Жуковского «ХАИ»
Расчетно-пояснительная записка к
расчетно-графической работе
по курсу «Основы теории и
функционирования энергоустановок»
Система энергоснабжения космического
аппарата для наблюдений за Солнцем
Выполнил: ст.
гр. 431
Швецов П.Д
Проверил:
доцент к. 401,
к.т.н.
Шепетов Ю. А.
Харьков 2012
Список
условных обозначений, символов, сокращений и терминов
-
напряжение холостого хода;- площадь контактной сетки;сб - потребная мощность
СБ;кз - ток короткого замыкания;- площадь фотоэлемента;
АБ
- аккумуляторная батарея;
БФ
- батарея фотоэлектрическая;
БХ
- батарея химическая;
ВАХ
- вольтамперная характеристика;
ИСЗ
- искусственный спутник;
СБ
- солнечная батарея;
СЭС
- система электроснабжения;
Т
- период обращения спутника вокруг Земли.
Введение
На сегодняшний день трудно представить жизнь человека без космических
аппаратов. Их формы, функции, и размеры настолько разнообразны, что их трудно
перечислить. И разумеется что для выполнения их функций необходима энергия.
Источниками энергии могут быть как прости химическая батарея так и устройство с
изотопной капсулой. Наиболее широкое применение нашли системы, использующие в
качестве энергии лучистую энергию Солнца, т.к. они обладают параметрами
мощности и долговечности наиболее подходящими для большинства задач, которые
ставятся для современных космических аппаратов.
Цель работы состоит в разработке системы энергоснабжения для космического
аппарата для наблюдений за Солнцем.
Задание:
Космический аппарат для наблюдений за Солнцем.
Заданный ресурс 4 года
Масса 4 тонн
Максимальная площадь миделя 21.6 м2
Средняя мощность бортовых потребителей:
освещенная сторона 3200 Вт
теневая сторона 800 Вт
В т.ч. дежурная нагрузка 520 Вт
Сеансная нагрузка 1 1040 Вт 12 мин. Работа
Сеансная нагрузка 2 1300 Вт 10 мин. Связь с ЦПУ
Сеансная нагрузка 3 1560Вт 1/10 периода
Включение ЭРД
Характеристики орбиты
Высота в перигее 500 км
Высота в апогее 5000 км
Наклонение плоскости орбиты 90о
Ориентация КА одноосная, на Солнце
Ориентация БФ неориентируемая
ФП на основе GaAr
БХ на основе NiCd
аккумуляторов
Схема СЭС стабилизированная
Рабочее напряжение СЭС 28 В
КПД СЭС 12%
1.
Определение длительности витка и тени на расчетном витке
Период обращения КА и длительности освещенного и затемненного участков
определяем при помощи программного пакета ET_CULC.PAS. Задав начальные условия
угла наклонения плоскости орбиты, а также высоту в перигее и апогее получим
следующие данные.
Рис.1.1 − Прогноз сезонного изменения длительности тени на витке
В качестве расчетного витка будем брать виток с длительностью тени в 35
мин.
При помощи программного пакета ET_CULC.PAS получили следующие данные, и
выбрали расчетный виток:
длительность витка 145 мин.
длительность участка тени 35 мин.
длительность освещенного участка 110 мин.
р -
фокальный параметр (1.1)
радиус
оси перигея (1.2)
радиус
оси апогея (1.3)
полуось
орбиты (1.4)
период
обращения (1.5)
2. Расчет
необходимой мощности БФ и емкости БХ
.1 Расчет
необходимой мощности и емкости на конец ресурса
Представим характер энергопотребления в виде циклограммы нагрузки (Рис.
2.1) - зависимости потребляемой мощности от времени на протяжении одного витка.
Рис.
2.1.1. − Циклограмма нагрузки
Определим
суммарное количество энергии, необходимой КА по формуле:
=520*145+1040*12+1300*10+1560*15=128700
(Вт*мин) (2.1)
где:
Nд - дежурная нагрузка;
Тд
- продолжительность дежурной нагрузки;сеанс - сеансная нагрузка;
Тсеанс
- продолжительность сеансной нагрузки;
Далее
определим необходимую мощность БФ для обеспечения потребностей КА:
(2.2)
где:Тосв
- освещенный участок витка;
;
Далее
строим циклограмму мощности аккумулятора.
вольтамперный
фотопреобразователь батарея электропитание
Рис.
2.3 − Циклограмма мощности БХ
Строим
график емкости аккумулятора
Рис.
2.4 − Емкость БХ
Из
графика находим необходимую емкость БХ по формуле:
(2.3)
где:
V - напряжение БХ;
Ебх
- емкость БХ в (Вт*ч);
Ебх=23530/60=392.1
Вт*ч и V=28 В.
.2 Расчет
необходимой мощности БФ и емкости БХ на начало ресурса
Используя кривые деградации БФ и БХ находим коэффициенты деградации на
четвертом годе:
Кдег БФ=0.78; Wбф нач.= 1500 Вт;
Кдег БХ опт.=0.51; Qбх нач. опт.=27.5;
Кдег БХ пес.=0.32; Qбх нач. пес.= 43.2 А*ч, округлим до 45 А*ч.
Используя программный пакет SPS_model_2004.xls проведем предварительную
проверку достаточности рассчитанных пессимистической емкости БХ и мощности БФ
на начало ресурса. Предварительная проверка показала, что пессимистической
емкости БХ будет достаточно, а мощности БФ − нет. Методом подбора
принимаем мощность БФ и емкость БХ на начало ресурса;бф нач.=1600 Вт;бх нач.=45
А*ч.
Ниже приведены графики изменения (деградации) мощности БФ и емкости БХ от
срока эксплуатации (Рис. 2.2.1, 2.2.2)
Рис.
.2.1. − Прогноз располагаемой мощности БФ
Рис.
2.2. − Прогноз располагаемой емкости БХ
2.3 Проверки
рассчитанных параметров на энергобалансной модели СЭС
Для расчета используем энергобалансную модель:
(2.1)
где
- мощность БФ;
Косв
- коэффициент освещенности;
-коэффициент
деградации БФ
-
установленная мощность БФ;
-
мощность нагрузки.
; (2.2)
где
- дежурная нагрузка;
-
сеансная нагрузка.
; (2.3)
-
средний ток БХ на заряде; (2.4)
(<
0.9); (2.5)
(>0.9); (2.6)
где
с - относительная разряженность БХ.
; (2.7)
-
установленная емкость БХ;
-
коэффициент деградации БХакк=f(c); (2.8)БХ=22Uакк; (2.9)
где
Uакк - напряжение аккумулятора;БХ - напряжение на БХ.
РОЗ
включается, если UБХ>34В (ДПН); отключается, UБХ<29В (ДСН).
РОН включается, если UБХ<24В (ДМН); отключается, UБХ>34В (ДПН). По
данным этого расчета, реализованного в программном пакете SPS_model_2004.xls
были получены циклограммы изменения емкости БХ на начало (Рис. 2.1) и конец
(Рис. 2.2, Рис. 2.3) ресурса.
Рис. 2.1 − Циклограмма заряженности БХ на начало ресурса
Рис. 2.2 − Циклограмма заряженности БХ на конец ресурса
(оптимистический)
Рис.
2.3 − Циклограмма заряженности БХ на конец ресурса (пессимистический)
На
начало ресурса батарея работает всего на 21% своей емкости. Она заряжается и
отключается до тех пор пока не возникнет необходимость в ее эксплуатации.
Энергобаланс положительный. На конец ресурса батарея работает почти на полную
емкость, без отключения, мы имеем почти нулевой энергобаланс.
По
данным найденным из расчета были построены графики прогнозируемого минимального
напряжения БХ и графики прогноза изменения коэффициента обеспечения.
Рис.2.4
− Прогноз изменения коэффициента обеспечения
Рис.2.5
− Прогноз изменения минимального напряжения БХ
Из
графика 2.5 видно что срок службы СЭС по пессимистическому прогнозу превышает
заданный ресурс, т.к. минимальное напряжение БХ не упадет до 0 на протяжении
заданного ресурса.
Из
графика 2.4 видно, что на протяжении заданного ресурса коэффициент обеспечения
сеансной нагрузки не упадет ниже заданного 0.8.
3.
Определение размеров и вольтамперных характеристик БФ
Расчет элементов СЭС (единичный ФП, модуль, секция) заключается в
определении их геометрических размеров, построении ВАХ характеристик и др.
Будет рассматриваться расчет СЭС на основе галлий - арсенидного фотоэлемента. В
этом расчете единичный ФП будет представлен также как и модуль, т.к. его
линейные размеры будут велики( 6 на 6 см)
Параметры БФ:
· мощность БФ - 1600 Вт;
· напряжение 29.5 Вт (рабочее напряжение СЭС + 1.5 Вт на потери
(стабилизированная шина));
· кол-во секций 12;
Принятые параметры ФП:
· коэффициент отражения света от контактов на переднем слое 0.05;
· толщина базы 0,1 см;
· ширина контакта 0.02 см;
Рассчитанные параметры единичного ФП:
· ток короткого замыкания - 1.0738 А;
· напряжение холостого хода - 1.1312 В;
· напряжение в оптимальной точке - 0.95244 В;
· мощность - 0.9614 Вт;
· удельная мощность - 267.056 Вт/м2;
· коэффициент заполнения - 0.7914;
· КПД - 19.64%;
· ширина - 6 см;
· длина - 6 см;
· площадь - 36 см2;
Результаты расчета необходимого количества фотопреобразователей в секции
· количество последовательных ФП - 31;
· количество параллельных ФП - 5;
Результаты расчета:
· мощность модуля в рабочей точке - 1 Вт;
· количество последовательных модулей в секции - 31;
· количество параллельных модулей в секции - 5;
· количество параллельных модулей в БФ - 60;
· рабочий КПД - 19.6%;
· напряжение секции - 29.5 В;
· мощность секции в рабочей точке - 149 Вт;
· реальная установленная мощность в СБ - 1788 Вт;
· рабочее напряжение секции - 29.5 Вт;
· рабочая мощность секции - 149 Вт;
· реальная установленная мощность в СБ - 1787 Вт;
· Рабочий КПД - 18.8%.
Ниже приведены вольамперные характеристики единичного ФП и секции,
полученные при помощи программного пакета «Расчет ФП образец GaAr.xls».
Рис.
3.1 ВАХ единичного ФП и модуля.
Рис.
3.2 ВАХ секции
На
ВАХ ФП режиму холостого хода и короткого замыкания соответствуют точки
пересечения графика с осями. Также из графиков видно, что КПД достигает
максимума при определенном значении напряжения.
Ниже
приведена схема коммутации секции:
Рис.
3.3 Схема коммутации секции
4. Компоновка
и конструкция СЭС
Батареи фотоэлектрические на данный момент являются наиболее широко
применяемыми первичными источниками энергии. Это обусловлено тем, что они
обладают мощностью и сроком службы, подходящими для большинства современных
задач.
4.1
Структурная функциональная схема СЭС
-G12 - двенадцать секций батареи фотоэлектрической (БФ) на 4-х крыльях
(включены через блокирующие диоды VD).
РМГ - регулятор мощности генератора (по внешней команде может шунтировать
и расшунтировать через размыкатели Q секции БФ в заданной последовательности).
ДТ1-ДТ3 - датчики тока (три датчика тока: - датчик тока БФ, тока БХ, тока
нагрузки).
ДН - датчик напряжения
ТРБ - датчик температуры (температура рабочая батареи).
САЧ - счетчик ампер-часов.
САС - счетчик ампер-секунд (используется в режиме микроциклирования при
ограничении мощности БФ).
БХ - батарея химическая.
БПК - блок поэлементного контроля.
РУ - разрядное устройство.
ЗУ - зарядное устройство.
УНА - устройство нивелирования заряженности аккумуляторов (при разряде
подпитывает наиболее разряженные аккумуляторы).
ПАРК - прибор аппаратуры регулирования и контроля.
БЦВК - бортовой цифровой вычислительный комплекс.
ПССН - прибор стабилизатор сетки напряжений (также может отключать группы
потребителей в режиме ограничения нагрузки).
ТМ, ТС - телеметрия, телесигналы.
РК, ТК - радиокоманды, технологические команды.
Рис.
4.1 − Структурно функциональная схема СЭС
4.2
Компоновка КА
Компоновка БФ на КА - крыльевая. К корпусу крепятся 4 панели солнечной
батареи с 3 секциями на каждой.
Заключение
В данной работе представлен расчет системы электропитания для спутника,
предназначенного для наблюдения за Солнцем.
В ходе работы были построены циклограммы нагрузки, рассчитаны
прогнозируемый коэффициент обеспечения сеансной нагрузки и прогнозируемое
минимальное напряжение БХ, определены параметры единичного ФП, секции,
солнечной батареи. Разработана система электропитания спутника, рачитанны
параметры батареи, ее ВАХ и КПД.
На начало ресурса:
· Wбф = 1600 Вт;
· Qбх = 45 А*ч;
· Umin = 27,3 В.
На конец ресурса:
· Wбф = 1246 Вт;
· Qбх п. = 14,5 А*ч;
· Qбх о. = 22,9 А*ч;
· U min o. = 25,6 В;
· U min п. = 7 В;
· По пессимистическому прогнозу Kобесп. = 0,8.
Размеры единичного ФП и модуля:
· Ширина - 6 см;
· Длина - 6см;
· количество последовательных ФП - 31;
· количество параллельных ФП - 5;
Размеры панели: 956х1905 мм.
Количество панелей: 4.
Список
используемой литературы
1. Ковалевский
В. В. «Выбор параметров и расчет фотоэлектрических преобразователей энергии»
ХАИ, 1979г.
2. Шепетов
Ю. А. «Энергобалансный расчет системы электроснабжения космического аппарата»
Методическое пособие для курсового и дипломного проэктиования. ХАИ 2008ХАИ 2008
Перечень документации по проекту
ХАИ.431П.12.ЭУ.05.ПЗ.00
- Пояснительная записка, 21с.
ХАИ.431П.12.ЭУ.05.ТЧ.00
- Теоретический чертеж, А3.