Моделирование компонентов систем электропитания космических аппаратов средствами САПР

На современных космических аппаратах (КА) системы энергообеспечения, распределения электроэнергии, системы обеспечения качества аккумулирования с учетом более высокой надежности по сравнению с другими системами занимают по массе, объему и стоимости до 30% самого КА. Поэтому проблема создания систем электропитания (СЭП) КА имеет важное, первостепенное значение, ее решение может заметно улучшить технико-экономические показатели космического аппарата в целом.

Самым современным и эффективным способом проектирования систем электропитания можно считать построение математических и компьютерных моделей компонентов системы с использованием инструментов и методов, предоставляемых системами автоматизированного проектирования (САПР).

Построенные модели компонентов СЭП позволяют проектировать, тестировать и исследовать СЭП с различными типами структур.

Основными компонентами СЭП являются: солнечная батарея, аккумуляторная батарея, стабилизатор напряжения, зарядное и разрядное устройства, нагрузка.

Силовая структура систем электропитания КА может строиться несколькими способами, которые различаются исполнением стабилизатора напряжения (СН) солнечной батареи, подключаемого либо параллельно солнечной батарее, либо последовательно с ней [2]. На рисунке 1 представлен пример параллельной структуры СЭП.

Рисунок 1 – Параллельная структура СЭП:

СБ – солнечная батарея, ШС – шунтовой стабилизатор, ЗУ – зарядное устройство, РУ – разрядное устройство, АБ – аккумуляторная батарея, Н – нагрузка

Одной из важнейших частей СЭП КА является солнечная батарея, поэтому построение адекватной модели ее работы – необходимый и важный этап в проектировании систем электропитания. В данной работе для создания модели используются средства САПР MicroCap 9.0 [3].

Солнечные батареи занимают лидирующее положение в современной космической энергетике, успешно функционируя на большинстве КА различных типов. Солнечные батареи преобразуют энергию светового излучения в электрическую энергию. Экспериментально было установлено, что вольтамперная характеристика (ВАХ) кремниевых и арсенид галлиевых фотоэлементов достаточно хорошо описывается уравнением [1]:

(1)

где – напряжение на нагрузке;

– ток во внешней цепи;

– фототок;

– ток насыщения;

– последовательное сопротивление солнечного элемента (СЭ);

– принимает значения от 1 до 3;

– постоянная Больцмана, равная 1.38∙10^-23 Дж/К;

– абсолютная температура;

– абсолютная величина заряда электрона, равная 1.6∙10^-19 Кл.

Для ВАХ солнечной батареи справедливо выражение:

(2)

где – ток короткого замыкания;

a₁ и a₂ вычисляются по формулам:

(3)

(4)

Реализация солнечной батареи в системе Micro-Cap имеет вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 – Макромодель солнечной батареи

Эта макромодель представлена в виде отдельного компонента Micro-Cap, который имеет выводы:

- PLUS – плюс;

- GND – земля;

и параметры:

- a1 – коэффициент в выражении (2);

- a2 – коэффициент в выражении (2);

- Ikz – ток короткого замыкания;

- SEANS – файл с расписанием интенсивности солнечного излучения на одном витке КА.

Основные элементы модели:

- E1 – источник напряжения, задаваемый функциональной зависимостью (NFV). Определяет вольтамперную характеристику СБ согласно выражению (1);

- H1 – таблично задаваемый источник напряжения, управляемый током (NTVofI). На выходе этого источника, в узле CUR, напряжение равно выходному току, если этот ток больше нуля и меньше тока короткого замыкания; нулю, если выходной ток меньше нуля; Ikz, если выходной ток оказался больше тока короткого замыкания;

- U1 – источник напряжения, задаваемый пользователем (User source). Параметром этого источника является текстовый файл, содержащий пары значений: отсчеты моментов времени и значения напряжений в эти моменты. Этот файл может быть создан с помощью любого текстового редактора. В источнике U1 задается коэффициент (V(KEY)), на который умножается ВАХ солнечной батареи. Таким образом можно регулировать интенсивность солнечного излучения на одном витке КА.

Принцип работы данной модели: источник напряжения E1 создает разность потенциалов на выводах компонента согласно выражению (1), которая умножается на коэффициент V(KEY).

Основная характеристика солнечной батареи – ВАХ, полученная с помощью данной модели имеет вид (Рисунок 3) (параметры a1=5, a2=35, Ikz=36).

Рисунок 3 – Вольтамперная характеристика солнечной батареи

При данных параметрах максимальная мощность СБ составляет 800 Вт, при этом оптимальное напряжение 27 В, оптимальный ток 30 А. Ток короткого замыкания 36 А, напряжение холостого хода 35.5 В.

Литература:

1. Грилихес В.А. Солнечная энергия и космические полеты [Текст] / В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. – М.: Наука, 1984. – 216 с.

2. Источники вторичного электропитания. / В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, Ю.И. Конев и др.; Под ред. Ю.И. Конева. – М.: Радио и связь, 1990. – 280 с.

3. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 368 с.