زيرسامانه تأمين توان الكتريكي ماهواره

[SAYEH79]

زيرسامانه تأمين توان الكتريكي ماهواره

خلاصه مقاله: زيرسامانه تامين توان ماهواره يكي از مهم‌ترين بخش‌هاي ماهواره است. اصلي‌ترين منبع انرژي در فضاي اطراف زمين، انرژي تابشي خورشيد است كه ماهواره‌ها آن را جذب كرده و صرف شارژ مجدد باتري‌هاي خود مي‌كنند تا هميشه انرژي ذخيره براي زيرسامانه‌ها داشته باشند. البته روش‌هاي ديگري نيز براي توليد توان وجود دارد كه در مورد ماهواره‌ها كمتر به كار مي‌آيند. فناوري تامين توان ماهواره، از آغاز عصر فضا تاكنون، چه در زمينه بهبود كيفيت آرايه‌هاي خورشيدي و چه در حوزه باتري‌ها، همواره در حال پيشرفت بوده است. هر اندازه اين فناوري پيشرفت بيشتري داشته باشد، نتيجه آن در بهبود و گسترش عملكرد ماموريت‌هاي فضايي مشاهده خواهد شد

 

[SAYEH79]

تاريخچه و معرفي


ماهواره يا هرگونه فضاپيماي ديگري، به‌صورت ماهيتي يك وسيله الكترونيكي است و مانند هر وسيله الكترونيكي ديگر براي كار كردن به توان الكتريكي نياز دارد. در ابتداي عصر فضا، ماهواره‌هاي ابتدايي مانند [اسپوتنيك-1] و [اكسپلورر-1] براي تامين توان مورد نياز خود باتري‌هاي يك‌بار مصرفي را با خود حمل مي‌كردند. در آن هنگام، مساله توليد و تامين توان در فضا يك معضل بسيار بزرگ به‌نظر مي‌رسيد. اسپوتنيك-1 حتي اگر تا ابد در مدار مي‌ماند، به زودي باتري‌هايش خالي مي‌شد و عملاً از كار مي‌افتاد. اما طراحان و مهندسان به زودي راه غلبه بر اين مشكل را پيدا كردند.


فناوري تبديل انرژي تابشي خورشيد به جريان الكتريسيته به نيمه اول قرن نوزدهم بازمي‌گردد. در دهه‌هاي 40 و 50 ميلادي هم دانشمندان توانسته بودند اين روش را تا حد زيادي توسعه دهند، اما به دليل هزينه بسيار بالا و سهل‌الوصول بودن انرژي‌هاي ديگر، اين فناوري از نمونه‌هاي آزمايشگاهي فراتر نرفته بود. در واقع مي‌توان گفت به هيچ‌وجه توجيح نداشت [1]. اما با آغاز عصر فضا فناوري [فتوولتائيك] نيز از گوشه آزمايشگاه خارج شد. سلول‌هاي خورشيدي مي‌توانستند منبع انرژي خوبي براي ماهواره‌ها باشند. هزينه بالاي آنها هم با توجه به حجم وسيع سرمايه‌گذاري در فعاليت‌هاي فضايي و جنبه‌هاي راهبردي آن كاملاً قابل توجيه بود [2].


اين سلول‌ها قادر بودند تا انرژي تابشي خورشيد را به انرژي الكتريكي تبديل كنند. در اطراف سياره زمين، فوتون‌هاي متصاعد شده از خورشيد، به ازاي هر مترمربعِ عمود بر جهت تابش نور، حدود 1370 وات انرژي را در اختيار مي‌گذارند. سلول‌هاي‌ خورشيدي اوليه بازدهي كمتر از 6 درصد داشتند. يعني كمتر از 6 درصد از اين 1350 وات را به انرژي الكتريكي تبديل كرده و صرف شارژ كردن باتري‌هاي ماهواره مي‌كردند [1].

در 15 مه 1958، ماهواره اسپوتنيك-3 (تصوير1) كه توسط شوروي سابق به فضا پرتاب شد، براي اولين بار از سلول‌هاي خورشيدي كه به‌صورت آرايه‌اي تنظيم شده بودند، استفاده مي‌كرد. آمريكايي‌ها نيز در اولين ماهواره‌هاي خود به همين نتيجه رسيدند. به‌زودي سرمايه‌گذاري‌هاي عظيم و بين‌المللي روي گسترش فناوري فتوولتائيك انجام شد و اين فناوري روز به‌روز پيشرفت بيشتري كرد [2]. امروزه بازده سلول‌هاي خورشيدي كه در فضا به كار گرفته مي‌شوند، به حدود 40 درصد و بالاتر نيز رسيده است

 

[SAYEH79]

براي توليد انرژي الكتريكي در فضاپيماها و ماهواره‌ها روش‌هاي ديگري نيز وجود دارد كه در ادامه توضيح داده خواهند شد. البته عملياتي‌ترين و به‌صرفه‌ترين روش براي ماهواره‌ها، همان سامانه فتوولتائيك است (بايد توجه داشت كه فناوري فتوولتائيك در آزمايشگاه ها هميشه جلوتر از عرصه عملياتي است. در واقع، آنچه كه باعث مي‌شود تا انواع جديد اين فناوري در سامانه‌هاي فضايي به كار گرفته شود قيمت و قابليت اطمينان است.) [3].


فناوري باتري نيز بخش ديگر سامانه تامين انرژي ماهواره است. درصد بالايي از وزن يك ماهواره را (حداكثر كمي بيش از 10 درصد) باتري‌هاي آن تشكيل مي‌دهد [3]. هر اندازه فناوري در جهت كم كردن وزن و بالابردن بازدهي و ماندگاري باتري‌ها پيشرفت كند،‌ كل فناوري فضايي متحول خواهد شد. امروزه به‌خصوص با پيشرفت در حوزه ريزماهواره‌ها، ميكروماهواره‌ها و ... نقش باتري‌ها پررنگ‌تر شده است [4].


باتري اصولاً وسيله سنگيني است. طراحان ماهواره همواره بايد تعادلي بين وزن زيرسامانه تامين توان (كه بيشتر وزن آن را باتري‌ها تشكيل مي‌دهند) و نيازمندي‌هاي عملياتي ساير زيرسامانه‌ها و محموله پيدا كنند. اگر طراح بتواند از باتري‌هاي سبك‌تر و كوچك‌تر و با كارآيي بالاتري استفاده كند،‌ قطعا قادر خواهد بود تا كيفيت و كميت عملكردي محموله خود را افزايش دهد [4].


پايان عمر عملياتي يك ماهواره نيز تا حد زيادي به پايان عمر سامانه تامين توان آن بستگي دارد. باتري‌هاي ماهواره معمولاً بعد از چند سال قابليت پر و خالي شدن خود را از دست داده و از كار مي‌افتند. آرايه‌هاي خورشيدي نيز كه در معرض انواع صدمات محيط فضا قرار دارند، به تدريج مقداري از بازده خود را از دست مي‌دهند [3].


معمولاً سهم سامانه تامين توان در ماهواره‌ها و فضاپيماهاي كوچك، حدود 20 تا 30 درصد و در ماهواره‌ها و فضاپيماهاي بزرگ، حدود 10 تا 15 درصد از كل هزينه است [5].

بديهي است كه يك سامانه هوشمند الكتريكيِ مديريت توان، بايد ارتباط بين منبع تامين و ذخيره انرژي و همچنين زيرسامانه‌هاي مصرف‌كننده را برقرار نمايد. اين سامانه نيز در طول زمان به لحاظ سخت‌افزاري و نرم‌افزاري پيشرفت بسيار زيادي داشته است.

 

[SAYEH79]

اجزا و عملكرد زيرسامانه تامين توان ماهواره


زيرسامانه تامين توان ماهواره، وظيفه تامين انرژي تمامي قسمت‌هاي ماهواره را از هنگام تغذيه آن توسط باتري‌ها تا قرار گرفتن بر روي مدار و در كل طول ماموريت بر عهده دارد. در مجموع، وظايف اين زيرسامانه عبارتند از:

1. تامين دائمي توان الكتريكي كل سامانه فضايي در تمامي فازهاي ماموريت
2. كنترل، تنظيم و توزيع مناسب توان الكتريكي بين تمامي زيرسامانه‌ها
3. امكان كنترل وضعيت و عملكرد سامانه تامين توان از روي زمين
4. تبديل جريان الكتريكي مستقيم به متناوب در صورت نياز

به طور كلي، سامانه تامين توان در يك ماهواره يا فضاپيما از چهار بخش ذيل تشكيل شده است:

• بخش كنترل و تنظيم ذخيره توان (در برخي از مراجع، موارد 3 و 4 تحت عنوان يك بخش با عنوان مديريت و تنظيم توان ذكر مي‌شوند.)
  

 

[SAYEH79]

بخش توليد توان الكتريكي

همان‌طور كه در ابتدا بيان شد، سامانه توليد توان الكتريكي در ماهواره‌ها بيشتر بر اساس فناوري فتوولتائيك است. البته در ادامه، دو نوع منبع توليد انرژي الكترواستاتيكي و الكتروديناميكي نيز مورد اشاره قرار خواهند گرفت. از اين دو نوع تأمين نيرو بيشتر در كاوشگرهاي فضايي كه به سيارات دوردست (دورتر از زمين نسبت به خورشيد) يا اعماق فضا پرتاب مي‌شوند، استفاده مي‌شود. در مجموع، كاربرد آنها در ماهواره‌ها بسيار محدود است [5] (در برخي مراجع، باتري‌هاي اوليه (باتري‌هايي كه قابليت پر كردن ندارند) را نيز جزء منابع انرژي ماهواره‌هاي معرفي مي‌كنند كه به نظر چندان صحيح نمي‌رسد.).

معمولاً در ايستگاه‌هاي فضايي سرنشين‌دار از منبع انرژي پيل سوختي نيز استفاده مي‌شود. به عنوان مثال، در ايستگاه فضايي بين‌المللي،‌ پيل سوختي منبع اصلي تامين انرژي براي ايستگاه است

 

[SAYEH79]

منابع توليد توان الكتريكي استاتيكي


اين‌گونه سامانه‌ها، انرژي گرمايي را به‌طور مستقيم به انرژي الكتريكي تبديل كرده و براي تامين گرماي مورد نياز معمولاً از گرماي متمركز شده خورشيد و يا منابع هسته‌اي با سوخت پلوتونيوم و اورانيوم استفاده مي‌كنند.

دو نوع متداول از اين منابع استاتيكي، [سلول‌هاي ترموالكتريكي] و [سلول‌هاي ترمويونيكي] هستند. در سلول‌هاي ترموالكتريكي كه رايج‌تر بوده و به‌نام [مولد ترموالكتريكي راديوايزوتوپي] خوانده مي‌شوند، از تلاشي راديواكتيو پلوتونيوم براي ايجاد گرما استفاده مي‌شود و از گرماي حاصله، طبق اثر ترموالكتريكي، براي برقراري جريان الكتريكي استفاده مي‌شود كه راندمان تبديل انرژي در آن حدود 5 تا 8 درصد است. ولي در روش استفاده شده در منابع ترمويونيكي، راندمان تبديل انرژي بالاتر بوده و حدود 10 تا 20 درصد است

 

[SAYEH79]

منابع توليد توان الكتريكي ديناميكي


در اين‌گونه منابع، از چرخه‌هاي ترموديناميكي كه در نيروگاه‌هاي زميني متداول است، استفاده مي‌شود. در اين‌جا هم منابع توليد حرارت شامل انرژي خورشيدي متمركز شده، راديوايزوتوپ‌ها و واكنش‌هاي جوش هسته‌اي كنترل شده هستند. براي تبديل انرژي حرارتي و توليد انرژي الكتريكي نيز از سيكل‌هاي ترموديناميكي مختلفي از جمله چرخه استرلينگ، چرخه رانكين و چرخه برايتون استفاده مي‌شود [5].

اصولاً از اين‌گونه منابع الكتريكي ديناميكي در مواردي استفاده مي‌شود كه هم قدرت مصرفي بسيار بالايي مورد نياز باشد و هم امكان استفاده از ساير منابع ميسر نباشد.

 

[SAYEH79]

بخش ذخيره توان الكتريكي

توان خروجي سلول‌هاي خورشيدي ثابت نبوده و با توجه به ميزان تابش دريافتي، تغييرات دما و مشخصه بار همواره در حال تغيير است، درحالي كه يك سامانه فضايي نظير ماهواره يا فضاپيما، براي انجام وظايف محوله خود، نياز به منبع تغذيه توان الكتريكي ثابت و پايداري دارد. بنابراين براي داشتن يك جريان الكتريكي دائمي و يكنواخت بايد بتوان در مواقعي كه توان ناشي از انرژي خورشيدي بيش از نياز سامانه است، آن را ذخيره نمود تا در زمان‌هايي كه امكان توليد توان نيست، از اين انرژي ذخيره شده استفاده شود [5]. ذخيره توان در مواردي مانند: تحت سايهِ زمين قرارگرفتن ماهواره يا انتقال مداري در هنگامي‌كه آرايه‌هاي خورشيدي هنوز باز نشده‌اند، به‌كار مي‌رود. به همين ترتيب، سامانه ذخيره توان هرجا كه لازم باشد، تواني بيش از ظرفيت بخش تامين توان (مانند آرايه‌هاي خورشيدي) را براي مدت زماني مشخص در اختيار زيرسامانه‌ها مي‌گذارد.


باتري‌هاي الكتروشيميايي رايج‌ترين وسايل ذخيره‌سازي انرژي الكتريكي هستند و ميزان ظرفيت آنها بر حسب آمپرساعت يا وات‌ساعت بيان مي‌شود. اما در مورد باتري‌هاي صنايع فضايي، كميتي به‌نام انرژي ويژه نقش بسيار مهمي دارد كه عبارت است از ظرفيت باتري در واحد جرم آن. دليل اين امر، مؤثر بودن توأمان دو عامل وزن و توان در طراحي يك سامانه فضايي است [3].

به باتري‌هايي كه قابل پركردن مجدد نيستند و بنابراين ارتباطي با منبع توليد توان در ماهواره ندارند، باتري‌هاي اوليه گفته مي‌شود. اين باتري‌ها در مدارهاي كنترلي به عنوان مرجع يا تأمين‌كننده بسيار محدود انرژي براي يك قسمت كوچك كاربرد زيادي دارند. باتري‌هاي اوليه عموماً براي تغذيه زيرسامانه‌ها به كار نمي‌روند

 

[SAYEH79]

سامانه كنترل و تنظيم ذخيره توان


سلول‌هاي خورشيدي داراي ويژگي توليد انرژي غيرخطي هستند و با تغيير جريان خروجي از آنها ولتاژ آنها هم تغيير مي‌كند. افزون بر اين، باتري‌ها هم در طول زمان پر شدن و تخليه شدن داراي ولتاژ ثابتي نبوده و با توجه به ميزان پر شدني كه داشته باشند، ولتاژ خروجي آنها تفاوت مي‌كند.


يكي از عوامل بسيار مهم در افزايش طول عمر باتري‌هاي ثانويه، اعمال كنترل و مديريت پر شدن و تخليه كردن آنها است. از طرف ديگر، ميزان نياز سامانه‌ها و زيرسامانه‌هاي ماهواره نيز در تمامي مراحل ماموريت نيازمند توان الكتريكي يكسان نبوده و در بعضي مواقع، به ولتاژ يا آمپراژ بالاتر يا كمتري نياز است. به همين دليل، نمي‌توان سلول‌هاي خورشيدي يا واحد توليد توان الكتريكي را با باتري و مصرف‌كننده مستقيماً به همديگر متصل نمود. بنابراين به سامانه‌اي نياز است كه ضمن ايجاد تعادل بين انرژي توليدي و مصرفي، عملكرد باتري‌ها در هنگام پر و تخليه كردن را مديريت كند. در سامانه تامين توان الكتريكي ماهواره يا فضاپيما اين مهم بر عهده سامانه كنترل و تنظيم ذخيره توان است [5].


به طور كلي، سامانه كنترل و تنظيم ذخيره توان از لحاظ نحوه اعمال مديريت و كنترل توان به دو دسته كلي تقسيم مي‌شود:

• سامانه انتقال مستقيم انرژي: در اين سامانه كه از نوع سامانه‌هاي با اتلاف است، برقراري توازن انرژي از طريق اتلاف انرژي اضافي توسط تنظيم‌كننده‌هاي موازي صورت مي‌گيرد. بدين ترتيب كه قسمتي از انرژي توليد شده توسط سلول‌هاي خورشيدي صرف تغذيه بارها و پر كردن باتري‌ها شده و مازاد آن، به‌صورت گرما تلف مي‌شود.
• سامانه دنبال‌كننده حداكثر توان: در اين حالت يك مدار الكتريكي دنبال‌كننده حداكثر توان طوري نقطه كار سلول‌هاي خورشيدي را دنبال مي‌كند كه در موقع خالي بودن باتري‌ها يا بيشينه بار سامانه، حداكثر انرژي از سلول‌هاي خورشيدي گرفته شود. پس از اينكه باتري‌ها پر شدند نقطه كار طوري تنظيم مي‌شود كه انرژي توليدي توسط سلول‌هاي خورشيدي متناسب با انرژي مصرفي سامانه باشد. اين‌گونه سامانه‌ها از راندمان بسيار بالايي برخوردار بوده و اتلاف ناچيزي دارند.

 

[SAYEH79]

سامانه مديريت توزيع توان

در يك سامانه تامين توان الكتريكي ماهواره، وظيفه انتقال توان آماده شده توسط سامانه‌هاي توليد، ذخيره و كنترل توان، به سامانه‌هاي مصرف‌كننده زيرمجموعه ماهواره، بر عهده سامانه مديريت توزيع توان است. به‌علاوه، اين سامانه وظيفه تبديل ولتاژ خط تغذيه به سطوح ولتاژ موردنياز مصرف‌كننده‌ها را بر عهده دارد. از ديگر وظايف مهم اين سامانه، آشكارسازي و برطرف كردن انواع خطاهاي موجود در سامانه و حفاظت اجزاي مصرف‌كننده ماهواره در برابر اين‌گونه خطاها (به‌عنوان نمونه، تغييرات ولتاژ) است