Suministro de la energía eléctrica de un satélite

Suministro de energía eléctrica de un satelite

En vista de las limitaciones en masa y el volumen, la fuente de alimentación eléctrica de un satélite plantea uno de los problemas más restrictivos. El aumento de la potencia isótropa radiada necesaria para el uso de pequeñas estaciones terrenas significa que la potencia eléctrica requerida es de más de 10 kilowatts para satélites de comunicaciones, en particular los destinados a la radiodifusión de televisión o para móviles y las comunicaciones personales. La energía eléctrica a ser proporcionada está directamente relacionada con la radiofrecuencia de potencia de los amplificadores en la carga útil en función de su eficiencia.

El subsistema de suministro de energía eléctrica se compone de:

-Fuente primaria de energía que convierte la energía disponible en otra forma en energía eléctrica (para aplicaciones civiles, consiste en un generador solar);

-Una fuente secundaria de energía que es sustituida por la fuente de energía primaria cuando esta no puede cumplir su función, por ejemplo en un período de eclipse solar (tal como, una batería de acumuladores electroquímicos).

-Acondicionado (regulación y distribución) y circuitos de protección.

Fuentes de energía primaria

La única fuente externa es la radiación solar. Fuentes de energía de a bordo (pilas nucleares o combustible materiales) no son, en la actualidad, tecnológicamente satisfactoria para la realización de la misión de una satélite de comunicaciones geoestacionario. Sin embargo, durante los primeros minutos después de la inyección en la fase de la órbita de transferencia, a bordo de acumuladores electroquímicos, que posteriormente constituyen la fuente de energía secundaria.

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Las células solares

Las células solares funcionan según el principio del efecto fotovoltaico (la aparición de una tensión en las conexiones de unión p-n sometidos a un flujo de fotones).

Característica corriente-tensión. La corriente frente a voltaje Vc Ic es una característica de la función de la carga. El flujo solar incidente se supone que es normal a la superficie e igual a la valor normalizado (1353W / m2). Por supuesto, es necesario tener en cuenta el ángulo entre la normal a la superficie y la dirección del sol; en realidad el flujo capturado es una función del coseno de este ángulo para ángulos que no son demasiado grandes, es decir, menos de 45.

Se obtiene la máxima potencia cuando el producto VC IC es máximo, es decir en la región de la "Rodilla" de la figura. La potencia máxima y tensión de circuito abierto dependen de la temperatura (la tensión en vacío disminuye en un 50% si la temperatura se eleva desde 27 hasta 150 ° C).

La eficiencia de conversión. La eficiencia típica Beginning-Of-Life (BOL) es de aproximadamente 15% en el punto de la máxima potencia de una célula de silicio convencional sometido a la radiación solar por encima de la atmósfera a una temperatura de 27 º C. La eficacia disminuye bajo el efecto de la radiación; una disminución de 30% en 10 años es típica de un satélite en órbita geoestacionaria. La magnitud de la degradación depende el tipo de órbita que se trate, la actividad solar medio en el período en cuestión y la ocurrencia de erupciones. El dimensionamiento del generador solar debe permitir degradación de la eficiencia inicial durante la vida útil prevista.

Con el fin de limitar la degradación, la célula está protegida por una cubierta que es transparente a las ya longitudes de onda para la que la sensibilidad de la célula es mayor pero es capaz de atenuar el daño por parte de la radiación. Está cubierta de vidrio se realiza en cuarzo o sílice fundida.

Tecnología. Las células solares de silicio se han utilizado durante muchos años. El progreso constante ha permitido aumentar la eficiencia de las células y disminuir la masa de las mismas.

Las células de silicio se realizan en un chip monocristalino relativamente grueso de un espesor de 50-200 um (el más delgado) (el más ligero) 20-60 mg / cm2. El aumento de la eficiencia en el curso del tiempo (desde menos del 10% en la década de 1960 a alrededor de 18% en la actualidad ha sido obtenida por el tratamiento anti-reflejante de la superficie con el fin de favorecer la penetración de la luz solar, el uso de un depósito de reflexión sobre la cara posterior, con el fin de hacer que los fotones que no han entregado su energía durante el paso inicial a través de la células pasen a través de él de nuevo (reflector de la superficie posterior (BSR)).

El uso de arseniuro de galio (GaAs) es utilizado para activar los valores más altos de eficiencia, (de aproximadamente 20%), pero no es ampliamente urilizado debido a la dificultad en la fabricación de células de GaAs en comparación al coste del silicio, esto previene que sea una aplicación a gran escala en los satélites.  

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Generador solar (paneles solares)

El generador solar se compone de varios miles de células interconectadas con el fin de entregar la potencia P requerida. Ellos están unidos a los paneles que proporcionan la rigidez y térmica necesaria regulación. El f eficiencia de llenado que caracteriza la relación entre el área ocupada por las células al área total del panel es del orden de 90%.

Interconexión de las células. Las células están conectadas en serie y en paralelo con el fin de entregar un voltaje V de varias decenas de voltios (hasta 100 voltios) y una corriente I de varias decenas de amperios. La tensión V que es entregada determina el número de células que se van conectados en serie; si Vc es el voltaje de la célula correspondiente al punto de funcionamiento elegido (del orden de 0,5 V para el silicio, 1V para GaAs, 2.4V para Triple Uniones), el número de células en serie es igual a V = Vc.

El número de ramas en paralelo depende de la corriente I ¼ P = V que se entregue; si Ic es la corriente correspondiente al punto de funcionamiento elegido (por ejemplo, del orden de 0,15 para una célula de 4 cm2), el número de ramas que se conectan en paralelo es igual a I = Ic.

Esta organización básica se modifica con el fin de minimizar las consecuencias de la ruptura celular y el efecto de sombra (debido a que el cuerpo de satélite o antenas en el panel solar). Un circuito abierto desglose de una celda en una rama conduce a la pérdida de toda la rama desde la continuidad eléctrica no está ya proporcionado. Esto se puede evitar mediante la conexión de grupos de células en paralelo. En contraste, una célula en una rama quedar cortocircuitados significa que la fuerza electromotriz de esta rama se vuelve menos que la de todos los demás. La distribución actual es, por lo tanto, no balanceada con un peligro de desglose debido a la excesiva disipación térmica local de aislamiento. Un diodo en serie con cada uno rama de las células permite la rama defectuoso a aislarse. Así, el generador se compone de pequeña grupos de células dispuestas en paralelo y en serie; la elección de una combinación serie-paralelo es tal que maximiza la fiabilidad global, teniendo en cuenta las tasas de fracaso relativos asociados con falla de las células en un corto o estado de circuito abierto (véase el capítulo 13).

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