PILE DE COMBUSTIE

CUPRINS

CAPITOLUL I - Consideratii Generale

I.1. Scurt istoricI.2. Conversia energiei primare in energie electricl

CAPITOLUL II - Pile de Combustie

II.1. Definitii gi clasificarea pilelor de combustieII.2. Funcfionarea pilelor de combustieII.3. Tipuri de pile de combustie

CAPITOLUL III - Performantele Pilelor de Combustie

III.1. Performanfele ideale ale pilelor de combustieIII.2. Performanfele reale ale pilelor de combustieIII.3. Variabile ce influenfeaztr performanfele pilelor de combustie

CAPITOLUL IV - Elemente Suplimentare de Termodinamici

IV.l. Reacfia electromotrici activiIV.2. Randamentul Carnot gi randamentul izotermIV.3. Energia liberi Gibbs si performanfele idealeIV.4. Analiza polarizirii de activare si a polarizirii de concentrafie

CAPITOLUL V- Avantajele Pilelor de Combustie

CAPITOLUL VI - Exemple de Calcul

CAPITOLUL VII - Implementarea Pilelor de Combustie

CAPITOLUL VIII - Concluzii

CAPITOLUL IX - Bibliografie

CAPITOLUL I - Consideratii Generale

I.1. Scurt istoric

' 1839 Sir William Groves jurist gi fizician amator, descoperi c[ hidrogenul gi oxigenulpot fi combinate obfinandu-se api gi curent electric.

' 1932 Francis Bacon relizeazd, prima pilS de combustie tip alcalind cu electrozi de platinagi electrolit acid sulfuric (H2SO4).

' Cu toate acestea a durat aproape 120 de ani pAna cdnd NASA a demonstrat potenfialulpilelor de combustie in producerea curentului electric in zborurile spafiale darcomponenta finaciarl fiind un impediment in dezvoltarea tehnologiilor.

' 1960 Programele spa{iale GEMINI & APOLLO

' GEMINI - baterie de pile de combustie de putere lkWBateria : 32 pile de combustie polimerice,temperatura de fuclionare 50oC gi presiune 2atm gi o densitate de curent pe pil[ de 37mAlcm2 la o tensiune de 0.78 V .

' APOLLO - baterie de pile de combustie alcalineBateria - forma cilindrica de diametru 57 cm, inallime lI2 cm gi o greutate de 110 kg .

P: l .42kW gi tensiune 27-3lV; Pmed:0.6kWElectrolit KOH ( hidroxid de potasiu ) , concentrat 85 o/oTensiunea pe pil6 0.85 VDensitatea de curent l50mA/cm2Temperatura de funcfionare 260C

' Astfel in 1984 Departamentul Energiei al Statelor Unite ale Americii ( U.S. Departmentof Energy ) a initiat un program de finanfare pentru dezvoltarea tehnologiilor bazate pepile de combustie , acest program fiind inci in vigoare.in noiembrie 2003 concernulinternational AMG DAIMLER CRHYSLER a primit un fond de I miliard de $ pentrucontinuarea cercet[rilor.in ianuarie 2004 conCernul japonez TOYOTA impreuna cuadministrafia oragului TOKIO au pus in circulatie o linie special[ de transport pe bazatehnologiei pilelor de combustie.

I.2. Conversia energiei primare in energie electrici

Energietermo-electrici

Energietermo-ionici

Energieelectro-mecanici Magneto-hid ro-dinamici

PILEDE

COMBUSTIEEnergie mecanicl

Energie chimici Energie nucleari

Energie solari Combustibili fosili

Fuziune: contopirea a doul sau mai multe nuclee atomice utoare intr- unul singur, mai greu ,cu degajarea unei cantitiifi meri de energie .

Fisiune = reacfie nucleari de scindare a unui nucleu atomic mai greu in doutr sau mai multefragmente, cu degajarea unei cantitlfi mari de energie.

Plasmii : substanttr aflatii intr-o stare de agregare aseminltoare stiirii gazoase , alcltuiti dinelectroni , ioni, atomi neutrii gi fotoni .

Magneto-hidro-dinamicl = domeniu ce studiaztr interac{iunea cimpului magnetic cu fluideleelectroconductoare in migcare ,realiz0nd legatura dintre mecanicafluidelor pi electrodinamicl .

CAPITOLUL il - Pile de Combustie

II.1. Definifii qi clasificarea pilelor de combustie

DEFINITIE : Mecanism electrochimic de conversie ce trasform[ direct, frrl intermediartermic , energia chimic[ de reacfie direct in energie electricd , in urma procesului inregistrandu-se o creqtere importanti a entropiei .

Wch --+ Wel

9B$ERVATIE : Prin eliminarea intermediarului termic , randamentul 11 creqte de aproximativ2 orila acelagi consum de combustibil.

Clasificarea pilelor de combustie se face in funcfie de :

I . Temperatura de func{ionare :

- Pile reci T < l00oc- Pile calde 100'C < T < l000oc- Pile fierbin{i T > 1000"C

2. Natura electrolitului

- Pile acide- Pile bazice

3. Natura combustibilului

- Pile cu combustibil gazos ( H sau CO )- Pile cu combustibil lichid ( CH3OH - metanol )

4. Produsele cu care se alimenteaz6

- Pile directe ( combustibilul se introduce direct )- Pile indirecte ( Ex : reformarea petrolului )

II.2. Funcfionarea pilelor de combustie

Combustibil Oxidant

f-III

combustfil cpuizatprodus-dc rcactic

Combustibil cpuizat

p.odor*& r.".ti.

F'IECTROLIT

Anodul este alimentat cu combustibil gazos (H2) in timp ce catodul este alimentat cu unoxidant (O). Reacfia electrochimici ce are loc la nivelul electrozilor va genera curentelectric .

Funcfionarea pilei de combustie este similard cu funcfionarea unei baterii dar cuurmatoarea specificafie : Bateria este un mecanism de stocare a energiei , energia maxim[disponibild fiind determinati de cantitatea de reactant chimic stocat[ in baterie ,cantitatea de energie diminudndu-se atunci cand reactantul igi pierde proprieta{ilechimice.

Teoretic , pila de combustie poate produce energie electrici atdt timp cdt electrozii suntalimentafi cu combustibil , respectiv oxidant.

In realitate , durata de funclionare a pilelor de combustie este condifionati de naturaelectrozilor , care trebuie sd debiteze densitili de curenfi mari sub diferenfe de potenfialacceptabile precum gi de calitatea electrolitului care trebuie sd aibe proprietlficonductoare bune astfel incit polaizarea s[ fie minim6.

6

trOxidant

gF

+>Anod

@Conbustibil

Anod :2H2 + 4H+ + 4e-

Catod :O2 + 4H* + 4e- + HrO

Reactia neta : 2H2 + Oz +HzO

II.3. Tipuri de pile de combustie

1. Pile de combustie polimerice :

Electrolit - membranl polimerici cu rol de izolator electronic Ai bun conductor de ioni dehidrogen. Temperatura de fuc{ionare este de 80oC . Densitiifile de current sunt de S50 A/fi: (0.09290 m2 ) cu 0.7 V la o presiune de 44atm. Costul pe kW = 2$

Anod: I;Iz- zl1. +2e-

Catod :O2 ..+ 4Ef + 4€ 121129'

I OddantrIILI HzO & caldrna

Combusflbll+>-lI

I-J

Exces combusflbll<:=

ELECIROLIT

2. PiIe de combustie alcaline

Temperatura de functionare este de 70 + I20"C.Denit6{ile de curent sunt de 1.5 kA/m cu 0.8V . Combustibilul - hidrogen .Electrozii pot fi Ni , NiO , C , polimer dopati cu platin6. Electrolituleste de obicei KOH (hidroxid de potasiu ) de concentratie 85 Yo.O problemi majorI o reprezint5 nivelul de CO , astfel combustibilul gi mediul trebuie si fiefari CO. Daca existi CO , acesta este absorbit de KOH , in urma reacfiei rezultdnd K3CO2 -carbonat de potasiu , electrolitul alterdndu-se , rezultlind o scidere a r1 pilei.Problema insd poate fi rezolvat5 prin incorporarea unui epurator de gaze la nivelul admisieihidrogenului sau prin utilizarea amoniacului la sursa de hidrogen .O altii problemi este voltajul scizut degi densitfiile de curent sunt mari . in acest sens prininserierea mai multor pile se poate ajunge la ll0 V sau 220Y, insi colectarea Wel de lafiecare pil6 fEcdndu-se prin intermediul unui contact de argint foarte scump .Avantajul principal este reprezentat de temperatura de fucfionare ce permite atingerea unuirandament de q = 55 + 60 o/o .

Anod : 2I;I2 + 4OH r 4H2O + 4e-

Catod : 02+ 2H2O+ 4e'-f 4OH-

3. Pile de combustie cu acid sulfuric ( HilSO4 )

Electrolitul este H2SO4 de concefiafie 100 o/o fiind depozitat intr-o matrice de tefloncombinat cu carburi de siliciu (CSr) .Electrozii - carbon poros .Temperatura de funcfionare este de 190 + 2I0oC.La T < 190oC:> apa se dizolva in elecnolit si numai poate fi eliminat[ .La T > 210"C => H2SO4 se descompune .Excesul de caldurd este eliminat prin incorporarea unor canale de rdcire fie cu api sau aer .Densitatea de putere este de 160 + 175 W / ft'z (0.09290 m)Randamentul este de n = 36 + 42Yo .

EI,ECIROLIT

gu

I.t) Hzo

Combusflbll*-lII

-JExcer combudbtl(= & crlfire

Catod : lzOz+ 2H' + 2e -+

II2O

4. Pile de combustie cu carbonat lichid

Electrolitul este o solufie salin[ de carbonat lichid , depozitat intr-o matrice ceramic[ (LiAlO2 ) poroas6 , izolatoare gi inertii din punct de vedere chimic . Compoziliavariazd dardeobicei consti din carbonat de litiu gi carbonat de potasiu .Temperatura de funcJionare este de 600 + 700oC .Electrozii : anod - NiCr poros ; catod - NiO dopat cu LiRandament \= 600O scidere a temperaturii de funcfionare de la 650'C la 600oC implicd o scidere arandamentului cu 15 %.

Combwflbllci) I oddrnt

IIzO&crtduel <F t ao r f

Anod : H2 + COt- H2O+ CO2+ 2c-CO+CO;+ 2COz+2?-

Catod: Q+II,O + 4e'<2",O-6

++r+oo1+r l+

5. Pile de combustie cu oxid solid

Electroliteste un solid ceramic neporos ( y2o3 stabilizat zro2)Electrozii : anod - Co-Zfr2 sau Ni-ZrO2 cermet

catod - Sr dopat cu LaIVInO3Densitti{i de curent de232 Ntr (0.09290 m) cu 0.6 VDurata de via{i 30000 hTemperatura de funcfionare l000oCRandament : pil6 neprestizatL4l %o

pil[ presurizati60 yoDaci temperatura scade de la l000oc la 900oc randamentul scade cu 12%o.

H2O & Excec

Combusflbllc*

lI'

_lcombusflbll: (=

Anod :H2*0 -2+H2O+2e-CO +O-2--+ Cq+ 2e-CII. + &-2- 21g2O + Cq + 8e-

Cetod: o2+ 4e-+2O-2

CAPITOLUL III - Performanfele pilelor de Combustie

III.1. Performanfele ideale ale pilelor de combustie

1,. Performan{e ideale

Reacfiile electrochimice ale principalelor tipuri de pile de combustie :

10

Tipulpi lei Reactia la anod Reactia la catodPil[ polimerici 9i pil6 cu

acid sulfuric Hz r 2H* +2e- % 02 + 2l{ + 2e +HzO

PilI alcalind H2+2(OH) +2HzO+2e lz 02 + HzO + 2e ---+ 2(OH)

Pil6 cu carbonatlichid

H2*CQ3-'-+H2O+ COz+2e

CO+CO3- ' - 2COz+2e-VzOz+ COz + 2e -r COs

PilS cu oxid solidHz*O- - -+HzO*2e'

CO+O- ' -COz+2e -

CHa + 4O''-- ZHzO + CO2 +8e

Vz02+ 2e-- - O'

Performanfele ideale sunt definite prin potentialul Nernst al pilelor de combustie.Ecuafia lui Nernst di relafia dintre potentialul ideal standard E" pentru reaclia unei pile pipotenlialul de echilibru ideal E.

P-presiune 1R-constantagazelor 1F-numarulluiFarraday; T-temperatura absoluttr;(a) - anod ; (c) - catod .

@E!3]/arII:

1. Potenfialul ideal standard pentru o pil6 H-O este de I.229 Y , produsul de reacfie fiind HzOin stare lichid6 qi 1.18 V , cu produs de reaclie HzO in stare lichidi qi gaze .

2. Aceste valori reprezintd potenfialele de oxidare ale hidrogenului .

1 l

Ecuatia Nernst

H2+ %O2 * HzO . (#)'"[*). (#) r'[F", )i ]E=E'

H2+YzO2 + CO4.;---+H2O + CO21xy

].[#)'"E=E".(#)'" P-t L 2

P",o t (P"o, /1"y

(t", )itr";f

CO+%Oz-COz E = E . (#)'"[#). (#)h[h, l;]

CHa+2O2+2HzO+COz .[H)''E=E'P""n .(H)rn(r",)'l

(P",o )' '(P"o, )

3. Eo afostcalculatincondil i i standard , adicdP= I atmgi T:25oCconsiderddu-se ca nu existd pierderi in funclionare .

Temperaturd ( K )

Figura prezint[ relafia dintre potenfialul ideal standard gi temperaturi .

OBSERVATIE : Potenfialul ideal standard scade cu cre$terea temperaturii astfel la pilele cutemperaturi ridicatd de funcfionare produsul de reactie (HzO) se afl[ in staregazoasl.

In tabelul urmitor sunt prezentate valorile potenfialului ideal standard pentru tipurile de pile decombustie prezentate anterior, in funcfie de temperatura de funcfionare.

III.2. Performanfele reale ale pilelor de combustie

Performanfele ideale sunt influenfate de fenomenul de polarizare ce apare la nivelul electrozilorpilelelor de combustie rezultind in urma fenomenului performanfele reale .Polarizareapoate fi : de activare , Ohmicd sau de concentrafie .in figura urmatoare sunt prezentate cele trei tipuri de polarizare, cu observafia : polarizarea deactivare gi cea de concentrafie sunt reprezentative la pilele de combustie ce funcfioneaz[ latemperaturi joase .

E"(V)

Hz+toz- Hzo(g)

0 300 400 500 600 ?00 800 900 1000 1100

T TC](K)

25"C(298K)

800c(353K)

1000cQ73K\

2050c(478K)

6500c(923K)

I 100'c(1373K)

Tipul pilei polimericd alcalinl HzSOr carbonat lichid oxid solidE' (V) 1 .18 t . l7 r . t4 1.03 0.91

t2

1.0 v

Polarizare de concentratie

0.5 v -

0.0 vDensitatea de cr.rent ( mA / cmz ;

1. Polarizarea de activare

Polarizarea de activare apare cdnd rata reacfiei electrochimice la suprafala electroduluieste controlatd de cinematica lenti a electrodului .

RT, In- - . = - l n -

crnF Io

unde : o - coeficient de transfer electronicn - numdrul de electroniI - curentul prin pilnIn - densitatea de curent de schimb

2. Polarizarea Ohmici

Polarizarca Ohmici apare datoritl rezistenteirezistenfei electronilor la curgerea prin electrozi .Rezisten{a ionilor la curgerea prin electrolitconductivitl1ii electrolitului .

ionilor la curgerea prin electrolit pi

este inlaturatii prin imbunat6{irea

TlOn. = R

unde : R - rezistenfa totali a pilei ( include rezistenfa ionicl ,electronicd qi de contact )

I - curentul prin pil6

3. Polarizarea de concentrafie

Polarizarea de concentrafie apare cdnd reactantul este consumat la electrod de cdtrereacfia electrochimici rezult6nd o pierdere de potenfial datoritii incapacitiilii materialuluiinconjurltor de a men(ine concentralia inilialn a volumului de fluid .

r".."=#t[t +)13

unde : 11- curent limiti

OBSERVATII SI CONCLUZI

Polarizarea de activare qi cea de concentrafie pot exista in acelaqi timp atAt la anod ctt qi la catod

Tl(r) = tlact.(a)+ lconc(e)

l(c) = Tlect.(c) + Tlconclc;

(a) -anod;(c) -catod

Potenfialul electrodului devine :

Vetcctrod : Eelectrod * ITletcctroOl

V("): E1g;+ IIls;I

V(.)=E1j;- Iq1j ; I

Potenfialul anodului cregte in timp ce potenlialul catodului scade rezultdnd astfel o scddere avoltajuluipilei .

?00

600

500

400

300

200

100

0

200 400 600 800

Densitatea de cr:ralt ( rnA / cmz I

Figura prezinti contribufia anodului gi a catodului la polarizare .

Voltajul total al pilei include potenfialul anodului , al catodului qi polarizarea Ohmici .

Vpu= V1.; - V1"; - IR (1 )

Vpilr: E1.; - Ir11"yI - (Etrl + Iq1";I) - IR (2)

E0)hN

ad?A

Pierden catod ( Aer )

Pierderi catod ( O2 )

Pierderi anod ( H2 )

I4

Vpih: AE. - h11.;I - Iq1"yI - IR (3)

AE.=E1"y-Elry

Relafia (3) evidenfiaza scdderea voltajului pilei datoritl pierderilor pe electrozi 9i datoritdpolarizlrii Ohmice .Prin minimizarea polarizilrii Ohmice voltajul pilei tinde spreAE..Minimizareapolariz[rii Ohmice se poate realizaprin modificarea diverselor variabile cum arfi : presiunea, temperatura o concentrafia de impurit[1i.

III.3. Variabile ce influenleazil performanfele pilelor decombustie

Performanfele sunt influen{ate de o serie de variabile de funcfionare( temperatura , presiune , compozilia combustibilului , etc . ) precum gi de alfi factori cum ar fi :impuritili , durata de viafi a pilei , etc.

Influen{a temperaturii gi presiunii :

Efectul temperaturii gi presiunii asupra potenfialului ideal al pilei este evidenliat prin variafia deentropie sau prin varialia de volum.

/aE\ ^s f aE) AVl - | = - s a u l - | = - -\AI lo nF \aPl , nF

AS - variafia de entropieAV - variatia de volum

Infl uenfa compozifiei combustibilului

Efectul compoziliei combustibilului se exprimd prin ecua{ia lui Nernst scrisl in funcfie denumirul de moli :

-" . RT,-- X",xf;tx"o,,*,r,P"'D _ D T

- I I I

nF Xnro,*-X"ou-".,

Xi - numirul de moli

l 5

CAPITOLUL IV - Elemente suplimentare de Termodinamici

IV.l. Reac{ia electromotrici activl

lucru mecanicnW

- absorbtie sau cedare

reactantix compustYde

reactiez

electricitatetnFE tQ

caldura

unde : n - numar de electroniF = 96493 c/g - numarul lui FaradayE - forta electromotoare a pilei de combustie

H2o: [zw' +4H* + 4"

"n=4[H. + O, -4e- + iHrO

2H2+ Oz= 2HzO - 4FE - e + 3RT ; 3 - determinat experimental

n; - numirul de moli participanfi la reacfieM; - mosa molari

I n iM i=nFE+Q+W

ui - energia molari ( interni ) a speciei M; , mirime de stare reprezentdnd energia conservatdin corp ,intr-o stare termodinamici oarecare .

I niui: nFE + Q +W

Dacd se cunosc temperatura , presiunea gi presiunea iniliali atunci :

w = )P;AV;

unde AV este variafia de volum a componentelor gazelor la temperatura T gi presiune pi .

AVi:)qV; - W=Ipini[

A

B

c

T6

Reactiaelectromotrica

activa

Intui - IpintVt: nFE + q

Energia eliberatl in REA are doui componente : una electrici gi una termic6.Daci Q = 0 atunci problema se afld in cazul ideal rezultAnd astfel mai mult curent electric . daracest lucru este imposibil conform principiului al doilea al termodinamicii .

S; - entropia molar[ a speciei M;

Variafia de entropie AS poate fi descompusd in variafia de entropie datorat[ Mr ( ASr ) livariafia de entropie datoratd mediului ambiant ( ASz ) .AS=AS1+ASz

AS=- In iS i+ (Q /T )>0

'T In iS i+Q>0

- T)n;S;+ )n;q + In,piV, - nFE > 0

nFEc In i I u i+p iV+TS i ]

G - entalpia liberi in cursul reactiei reversibile

G = IniG= Ini I ui + piVi + TSi ]

nFE < IniGi => nFE < AG

ES- ( l /nF ) AG => E= - ( l /nF ) AG

Pentru o reaclie in vas deschis W = f (H) , astfel putem scrie :

H :u *pV

nFE + Q : Ini I ui + piV ] : IniHi

QZ In i1Hr+G)

YuriaEia cu temperatura a forfei electromotoare pentru reacfia reversibila este dat6 de ecuafiaGibbs - Hemholtz :

-E+'[#],=., ="(#)

rY.2. Randamentul carnot gi randamentul izoterm

RandamentulCarnot: n"*^,= \tr1 =l-Tlnot

AH '

T"

W - energia util[AH - entalpia liber[

t7

Randamentu l izoterm: -_AG , _AS' t -a=F= ' - 'AH

AG _ variafia de entalpie liberaFormarea HzO in pila de combustie

Hz+%OzrHzO

Variafia de entalpie liberd de reacfie in condifii standard

aG; =G",ou, _G;, _*or,

f,',ffiiff:#:fr:,,t#9:,l:#""?naifii standard o"'; aG = T7.r kj/mor ei AH = 285.8

rria"ai 237.1,o , " -=2g5J=0 .83

Randamentul Carnot se va calcula astfel :

n=+- voltairealxcurent voltaireal^E=@=,ffi#x0.83

\ 0.83 ) r-ttv-

n = #t

voltaj real = 0.675 xvoltajreal

IV'3. Energia riberi Gibbs gi performanfere ideare

i::;lll:;H?l;Jfixff J."fi:.H,,,#f Eilr;:,,:,:,.ft i:i:*:H,nrempera,urisiW.r=AG= _nFE

AG=AH-TAS

F = e6.?i1 "rJ ;;53i,|!"ffi5i:i ; F - constanta lui Faraday

in condifii standard :

AGo: - nFEoin reaclie :

AG: AH" _ TAS"

l8

OBSERVATII :

1. Varialia entropiei implici variafia gradelor de libertate ale sistemului chimic .

2. Cantitatea de caldurl produsi de reactia reversibili este TAS, .

Potenfialul reversibil al unei pile de combustie la o temperaturd T , secalculeazd din AG de reaclie la temperatura T .Acest potenfial se poate calcula din capacitatea de caldurd Q in funcfie de temperatura T gi dinASo , respectiv AH" pentru condilii standard.Empiric Q se scrie in funclie de temperatura T astfel :

Q :a *bT+cT '

unde a,b,c - constante empirice

Variafia capacit[1ii de calduri in urma reacfiei stoichiometrice se scrie astfel :

AQ: Aa + A(bT) + A(cT')

Variafia de entalpie respectiv entropie se scriu astfel :

T T

AHr = AH" + Jlqar ASr = AS' + [*t2eE rir T

lindndu-se seama de variafia capacitalii de caldur[ cele doua variafii se vor scrie astfel :

AH, - AH' + m(r - zea)* J m(r' -2ssz)* J l.(r'

- 2es3 )

ASr = ̂ s"^"h(*) + rurn(r -zst)+)r.h' -2s8')

Coeficienfii a,boc se aleg din tabelul urmdtor .

Pentru reaclia globali a pilei de combustie scrisl sub forma :

uA+pB-+yC+6D

Combustibil a bx l 0 - cx10 "Metan CHa 3.381 18.044 -4.300Etan CrHr 2.247 38.201 - l 1 .049

Propan CrHn 2.410 57.195 -17.533Butan ClHro 3.844 73.350 -22.655

Monoxid de carbon CO 6.420 r.66s -0.196Dioxid de carbon COz 6.214 10.396 -3.545

Hidroeen Hz 6.9469 -0.1999 0.4808Nitrosen Nr 6.524 r.2s0 -0.001Oxisen Oz 6.148 3.102 -0.923Apd HzO 7.256 2.298 0.283

19

energia liberd Gibbs se expriml astfel :

AG = AG" + Rrn EIPI:hf [Br

Din ecuafiile :W31 :AG= -nFE

AGo = - nFEo

potenfialul ideal se va exprima astfel :

E = E" * nr ', [lJ'ln!lnF [c]'[Dl'

sau in forma generali

E = E' * nr ,n fl-l:ttiui*t **4

' nF'^' l[[activitateprodus]

IV.4. Analiza polarizirii de activare pi a polarizirii deconcentratie

Polarizarea de activare : n"", =+h+anF Io

Polarizarea de activare poate fi evidenfiatd sub forma unui grafic Tafel.Pentru construcfia graficului se scrie forma polarizirii de activare astfel :

l ' lad =a+blogl

b - panta Tafel sau coeficient unghiular Tafel

Panta Tafel pentru o reacfie electrochimici are o valoare aproximativi de 100 mV/decadl (logl)la temperatura mediului.Astfel o cregtere de l0 ori a densitlfii de curent cauzeazd o cregtere cu100 mV apolaizdrii de activare .Daci se reduce la jumatate panta Tafel valoarea polarizdrii de activare va cregte cu 50 mV.Astfel se observ6 o tendinfa in dezvoltarea de electro -catalizatori a caror panta Tafel si fie cdtmai redus[ astfel incdt cregterea valorii polarizdrii de activare si fie cit mai redusi .

20

5.0

4.0

3.0

2.0

1 .0

0.0

100 200

q(mv)

Exemplu de grafic Tafel

Polarizarea de concentraf ie

Rata de transport a masei cltre suprafafa electrodului este dati de prima lege a lui Fick :

, _ nro(c" -cr)6

unde : D -coeficient de difuzieCs - concentrafia inifiahCs - concentra{ia suprafelei6 - grosimea stratului de difuzie

Curentul limitd este in funcfie de rata maximi a reactantului la care acesta poate fi furnizat lasuprafafa electrodului , qi apare cand Cs: 0 :

. nFC"t t =

6

Din cele doui relafii prezentate mai sus putem scrie :

Cs ' I

t " = t - t

in condilii de echilibru cand I = 0 , ecua{ia lui Nernst are forma :

RTE,=o = B" 'tu -

InQ"nr

Cdnd I l0 concentralia suprafelei este mai mici decit concentratia iniliali

2I

*Et,

E

uoo

t-l

( Cs < Cs ) , ecualia luiNernst devine :

E , *o =E ' * { tnc ,, N F

Diferenta de potenlial ce apare prin variafia concentrafiei la nivelul electrodului se numeqtepolarizare de concentrafie.

T R T ' C SA E = l l _ - - l n -

n F C B

1'l "on"

CONCLUZIE ; Polaizarea de activare poate fi neglijati in comparafie cu polarizarea deconcentratie ale carei valori deplqesc valorile polarizirii de activare , in specialla pilele de combustie cu temperaturi mari de func{ionare .

CAPITOLUL V - Avantajele Pilelor de Combustie

PILA DE COMBUSTIE functiondnd fIr[ arderi este cel mai ecologic sistem deproducere a energiei secundare (energie electrici gi termic[); sistemul tradilional deoblinere a energiei electrice prin ardere (centralele termice) produce aproximativ 12 kgde produpi toxici la 1000 kWh in timp ce o PC produce MAI PUTIN DE 28,35 G LAACEIA$I ENERGIE PRODUSA.

Risc minim de contaminare deoarece la majoritatea PC utilizate produsul de rezultanteste APA DE PURITATE, care de altfel este folosit6 in circuitul primar de caldurdtermicd.

Posibilitatea introducerii surplusului de energie electrici in refeaua nafionald (legatur[care oricum trebuie sd existe pentru a cregte fiabilitatea sistemului). Astfel din test[rileftcute s-a constatat ci o incarcare de doar 40o/o a sistemului de PC a generat energieelectrici cu doar o micsorare a l0Yo din randamentul maxim a lui.

Sistemul este folosit deja din 1991. Numai furnizorul din S.U.A.,International Fuel Cells(IFC) a livrat cel pu[in220 sisteme PC de 200 kW in 15 flri de pe 4 continente care auacumulat 4 milioane de ore de operare fbr6 nici un incident. De asemenea, in acest timpde funcfionare poluarea a fost redusi cu 271,8 milioane t de CO2, respectiv cu 4,9milioane t de compuqi NOx gi SOx, comparativ cu cea datd de o centralS clasici deproducere a energiei secundare (din acest motiv qi avdnd in vedere accentuare efectuluide ser6, Departamentul American pentru Proteclia Mediului in 2000 a recompensat IFC-ul cu Marele Premiu pentru Protecfia Mediului gi finanfeazl in continuare cercetlrile qidezvolt[rile respectivei companii).

=#'"['+)

22

CAPITOLUL VI - Exemple de Calcul

. Aria generatoare de curent gi numirul de baterii de P.C. necesare

Date : P = 2 MWCC , Up...: 600 mV , densitatea de curent 400 mA/cm2

Cerin{e : l. Aria generatoare de curent .

2. Presupundndu-se o arie generatoare de lm'?lpila gi 280de pile pe baterie , cdte baterii de p.c. sunt necesarepentru generarea puterii de 2 MW .

Solufie :

I = P -2Mwx lo6wx l vAx l kA =3333kA

U0.". 0.6V IMW lW 10004.

. Calcul cost electricitate

^F 0.125c 3.4l2CC O&M

HeH

unde : CE - cost electricitate0.125 - rata de recuperare a capitaluluiC - capital $lkWH - durata anuald de funcfionare h/l0003.142 - rata teoretici de incilzire la randament 100%CC - cost combustibil $/ (103x103)Btue - eficienfa fracfionariO&M - cost operare gi intre{inere $/kW-an

Exemplu de calcul

Date : C: 1000 $/kWH=6000 /1000=6CC=2$/(103x103)Btue :0.40 ( eficienfa 40%)O&M = 20 $/kW-an

^ I 3333kA l000mA 1000A 7. - - - - - - - - - - - - - - - v J J J J J J w l l l

densitatea de curent 400mA/cm' lA lkA

\ - ^ =83333-33cm2 x lm

-=g33Pv' lm'/p.c. l0000cm'

N, = 833 =2.98=3bater i i" 280

23

", - 0'125x1000

*3'412x2 *! =qt.zgn4wh = 4.lcents/I(wh6 0.40 6

. Calculul puterii nscesare la decolare pentru un UAV cu :

m=10kga: 0.3 m/s2V: 15 km/tr

A= lm2P"u r :50 W

q= 0 .77

unde A este aria UAV , P"u* este puterea auxiliarl necesard controlului radio qi altor dispozitiveauxiliare iar q este eficienfa motorului .De asemenea se consider[ gi urmatoarele date necesare efectu[rii calculului puterii necesare : p:I.29 kglms - densitatea aerului ,Cn:0.3-rez is tenfa la ina intare(dragcoef f ic ient ) ,9=9.81 -acceleraf iagrav i ta l ional [ ,Cp:0.0085 - frecarea ( rolling resistance cofficient) gi cr = 0.0649 - inclinarea pistei .

P _

, _ mav + 0.5pC oAv' + mgC ̂v + mgvsina * ro*

q

l0 x 0.3 x 15 + 0.5 x 1.29 x 0.3 x I + 153 + 10 x 9.81 x 0.0085 x I 5 + l0 x 9.81 x 15 x sin 0.0649+50

0.77

^ 7t2.2370452P -

-- '-- - '-- +50 = 924.9831756+50 =974.9831756W

0.77

P = lKW

24

CAPITOLUL VII - Implementarea Pilelor de Combustie

Industria Aerospaliali

In zborurile spafiale , se folosesc ca generatoare electrice baterii de pile de combustie alcaline, de putere 12 kW, generdnd o tensiune de27.5 V . Fiecare pil6 de combustie generdnd odensitate de curent de 470 mA,/cm2la o tensiune de 0.86 V.D imens iun i : L : l l 0cm ; l : 38 cm ;h=35 cm ; G=91 kgElectrozii : anod ( 80% Pt ,20o/o Pd ) - dopat AgNi l0mg/cm2

catod ( 90o/o Au,l0yo Pt ) - dopat AgNi 20 mglcm2.Electrolit - KOH 35 %

Rezervor combustihil

cro pila de comhustie

Conceput[ de c[tre CWRU ( Case Western Reserve University ) , este cea mai mici bateriede pile de combustie gi avdnd ca destinafie alimentarea divergilor senzori , in special senzoride migcare .Avdnd dimensiunile unei radiere, fiecare pil6 de combustie are un volum de 5mm3 . Puterea generati de aceasti baterie de pile de combustie este de 10 mW cu impulsuride 100 mW .

2cm

25

Industria auto si feroviari

O"UB-CETLPropol*n

@L

'*ot #Fr'.H

re uFuclccll Propulelon fnctltnte

26

valrlotaPrloraor

Aplicafii domestice

Plug Power Systems produce bateriide pile de combustie de putere minimi 7kW ce pot alimentacateva locuin,te , sistemul fiind deja introdus in New York.

Pentru aplicatii industriale sau domestice de puteri mari BallardPower Systems produce ungenerator de pile de combustie de putere 250 kW ce poate alimenta un complex commercial sauaproximativ 50 + 60 de locuin{e .

fi 'Tq

,r\ : r - r

81"-

27

Ballard Power Systems produce baterii de pile de combustie ce pot alimenta calculatoareleportabile cu o durata de funcfionare de aproximativ 20 h .

MOTOROLA a lansat la finele anului trecut un model de telefon mobil a carui alimentare se faceutiliz6nd curentul generat de o minipila de combustie rezervorul cu combustibil av6nddimensiunile unui cartuq de cerneald.Prin aceastl "inova{ie" durata de funclionare a telefonului afost m[riti de l0 ori.

VIII . Concluzii

Pilele de combustie reprezint[ o alternativS viabili la sistemele clasice de oblinere a energieielectrice , costurile energiei electrice fiind comparabil mai mici , singurul impediment constdndin costurile iniliale ce pot fr amortizate in primul an de funclionare , costurile de intrelire fiindmult mai mici dec6t in cazul centralelor clasice.Pe modelul prezentat in partea practicl a acestei lucr[ri in ambele cazuri sistemul este instabil incel mai bun caz ajungAndu-se la o saturafie , adicd indiferent de valoarea curentului se oblineacelaqi consum de oxigen .in ceea ce priveqte tensiunea pilei de combustie aceasta poate fi miritd prin utilizarea unuiconvertor DC/DC prin care se reduce valoare curentului , ridicdnd voltajul.Un convertor DC-DC este un mecanism ce accepti o tensiune de intrare producdnd o tensiune deieqire , evident diferiti de cea de intrare .

28

CAnd joncfiunea pe tranzistor este deschis[ atunci V, = Vin ( tensiunea de intrare este egali cutensinea la borne ) iar cdnd joncfiunea pe tranzistor este inchisi , curentul inductor trece prinbobind obfindndu-s€ V* : Vo ( tensiunea la borne este egal6 cu tensiunea de ieqire ) .

V n t o n * ( V i n - V o ) t o 6 = 0

v"T l-= -=V,n tor 0-o)

]-=(r_o)I ,n

unde D - raport de sarcini .

IX - Bibliografie

l. Appice fuel cell association ( www.appice.com)2. Daniel Sperling - Electric Vehicles and Sustainable Transportation. Washington, D.C.

Island Press, 19953. Ballard Power Systems Inc. ( www.ballard.com )4. UTC fuel cells ( www.UTCfuelcells.com )5. Vision Engineer ( www.visionengineer.com )6. California Fuel Cell Partnership ( www.fuelcellpartnership.com )7. US fuel cell council - 1625k Street Washington DC ( www.usfcc.com )8. Fuel cell propulsion institute ( www.fuelcellpropulsin.org )9. Los Alamos National Laboratory (www.losalamosnationallaboratory.conm )10. EG&G Services Parsons,Inc. - Fuel Cell Handbook

29

Celule solare (celule fotovoltaice)

l.Introducere

Fotovoltaic - prima dat[ folosit in 1890;- de la grecescul photo : lumind Si volt derivat de la pionerul in domeniul

electricitdlii Ale s sandro Volta;DeJinilie: oblinerea de electricitate din lumind prin efeaulfotoelectric .

Efectul fotoelectric - a fost descoperit de fizicianul francez Edmond Becquerel in 1839 cindsupundnd o solutie de electrolit sub radiafia solard a obfinut pe electrozio tensiune.

- a fost observat prima datd intr-un material solid (Se) de Adams gi Day in1877.

- Lange, Grondahl gi Schottky au fost pionieri in dezvoltarea celulelorsolare cu Se qi CuO;

- dupd 1954 literatura gtiinfifici de specialitate public[ rezultate despreconversia energiei electrice in celulele solare

2.Principiul de functionare

2.1 Fotodioda

Dispozitivul de bazd are o joncfiune p - n, d cirei vecinltate poate fi iluminat5. Cdndlumina cade pe suprafafa de contact a unei joncliuni ea poate fi reflectatd, absorbitE sau trecedirect prin ea. Doar lumina absorbiti genereazd electricitate. Dac6 in radia{ia incidentd absorbitdexist[ fotoni de energie mai mare decdt energia de activare a materialului folosit, in apropiereajoncfiunii se genereazd perechi electron-gol. Schi{a dispozitivului gi caracteristica sunt prezentatein Fig. 1. Efect util are doar lumina absorbitii pdni la o distan{a de la joncfiune, egall culungimea de difuzie Z. Astfel dispozitivul este sensibil la pozifia fascicolului luminos in raport cujoncfiunea. Cdnd lumina cade perpendicular pe joncfiune prin stratul de tip n, de grosime maimicd decdt L, genercazl purt[tori pe toati suprafata joncfiunii. Purt[torii generafi la distanfe maimari decdt L fatd de joncliune, pot contribui la curent gi constituie efectul sesizabil al luminii. inurma apariliei de noi purtdtori, datorit[ luminii, caracteristica diodei se modifici fafa de situaliade intuneric aga cum se aratd in Fig. 1.b. Curentul invers se mlregte cu Nxeo unde N este numdrulde fotoni pe secundi care produc perechi de purt[tori ce ating joncfiunea, $i e - sarcinaelectronului. Dreapta de sarcini I aratd regimul de funcfionare ca fotodiodi, in care la o tensiuneinversl aplicati (Ji, curentul variazl o dat5 cu iluminarea. in cataloage sunt indicatecaracteristicile pentru toate tipurile constructive de fotodiode, dintre care cele mai importantesunt prezentate in continuare.

Fig.l Fotodiodaa - structura fotodiodei; b - regimul de funcfionare al unei joncfiunipn luminate, I - dreapta de sarcind in functionarea unei fotodiode

Sensibilitatea (S) definegte cre$terea curentului la lumin6, raportat[ la intensitateafluxului luminos incident al unei surse date prin temperatura ei de culoare. Sensibilitateavariazein funcfie de pozilia fluxului luminos fafd de joncfiune (Fig. 2). Varia{ia este cu atet mai mare, cucdt in construcfiile obignuite de fotodiode, o micl lentili concentreazi lumina in regiuneajonctiunii, iar deplasarea fascicolului fafi de centrul lentilei dep[rteaz[ punctul de focalizare dejonctiune. Odati cu sensibilitatea se indicd gi suprafala sensibild A, egal6 aproximativ, cu cea alentilei.

x[mm]

Fig.2 Variafia sensibilitifii cu pozifia fasciculului luminos fafide joncliunea fotodiodei

Caracteristici spectrale. Dependenfa sensibilitd{ii de lungimea de undl a luminii seindici prin:

lungimea de undl la care sensibilitatea este maximd (l.ro);limita sensibilitifii in infraroqu (I,,p)icurba variatie sensibilitl1ii in spectul util.

Curentul de intuneric (1") este curentul invers al diodei neluminate mdsurat la tensiuneamaximl; depinde de temperaturl ca gi curentul invers al unei diode obignuite.

Caracteristico tranzitorie. Indicd timpul de cregtere (t") a tensiunii pe o sarcin[ dat6, laaplicarea unui impuls de lumin[.

Caracteristica de iluminare este caracteristica statici a fotodiodei la diverse ilumindri.

n p

2.2 Celule solare

Celulele solare pe bazd de materiale semiconductoare in principiu sunt construite ca nigtefotodiode cu suprafafl mare. Prin absorbtie de energie se elibereazl purtitori de sarcini(electroni gi goluri). Pentru ca din aceqti purtdtori de sarcini electricd si se creeze un curentelectric dirijdndu-i in direcfii diferite este nevoie de un cdmp electrostatic intern. Acest cdmpelectric intern apare in dreptul unei joncfiuni p-n. Pentru cE intensitatea fluxului luminos scadeexponenfial cu addncimea, aceastd joncfiune este necesar si fie cdt mai aproape de suprafatamaterialului qi sd se pitrundi cdt mai addnc. Aceast[ jonctiune se creeazd prin impurificareacontrolati. Pentru a realiza profilul dorit, in mod normal se impurifici "n" un strat sublire desuprafafi $i "p" stratul gros de dedesubt in urma cdruia apare joncfiunea (Fig. ). Sub ac{iuneafotonilor apar cupluri electron-gol in joncfiune, din care electronii vor fi accelerafi spre interior,iar golurile spre suprafafI. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina in joncfiunerezult6nd o disipare de c[ldurd, restul curentului putdnd fi utilizat de un consumator, inc[rcatintr-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat in refeaua public6. Tensiuneaelectromotare maximi la bornele unei celule solare (de exemplu la cele mai utilizate, celulele desiliciu cristaline) este de 0,5 V.

Structura celulelor solare se realizeazl in aga mod incit sd absoarbl cdt mai mult[ luminSqi si apard cdt mai multe sarcini in joncfiune. Pentru aceasta suprafali electrodului trebuie si fietransparentl, contactele la acest strat si fie pe cdt posibil de subliri. Pe suprafall se va aplica unstrat antireflectorizant pentru a micgora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui stratantireflectorizant i se atribuie culoare negru-albistruie a celulelor solare care ftri aceasta ar aveao culoare gri-argintie. La celulele solare moderne acesta se obline din nitrat de siliciu prinprocedeul CVD (tehnologie Siemens conform cdreia pe o suprafalllncdlzitl, se depun in urmaunei reaclii chimice componente extrase dintr-o fazd gazoasd). Astfel stratul antireflectorizantare cca. 70 nm grosime (sfert de lungime de undl la un coeficient de refractie de 2,0). Grosimeastratului influenleazi culoarea celulei (culoarea de interferenti). Grosimea stratului trebuie si fiecdt se poate de uniform6, deoarece abateri de c61iva nanometri miresc gradul de reflexie.Celulele iqi datoreazi culoarea albastrd prin realizarea unei grosimi ce corespunde lungimii deundd a culorii roqii, culorea cea mai bine absorbiti de siliciu. In principiu ins6 in acest mod sepot realiza celule rogii, galbene, sau verzi la cerinfe arhitectonice deosebite, dar vor avea unrandament mai slab. In cazul nitratului de siliciu gi a bioxidului de siliciu stratulantireflectorizant mai are qi un rol de a reduce viteza de recombinare superficiali.

strat antirefl ectorizant

terminalul colectorstrat n (Si)

jonctiune

terminalul bazlstrat p (si)

spatele celuleisolare

metal de contact

contactulmetalic al

releleilinia

retelei

l p .

{tQo ,r.

Cl as ifrcar e a c el ul e lo r s olar e

Celulele solare pot fi clasificate dup[ mai multe criterii (Fig. 4)

Practic din figur6 se observi cA criteriul cel mai important este practic materialul din care esteficuti celula gi tehnologia prin car este realizatil.

5

l . Celule pebazd de siliciuo Strat gros

. Celule policristaline (Si-mu) laproductia in serie s-a atins dejaun randament energetic de pestela 107o, cosum relativ mic deenergie in procesul de fabricafie,pi pdnd acum cu cel mai bunraport prel - performanfi.

o Strat sublire. Celu le cu s i l ic iu amorf (a-Si ) ce l

mai mare segment de piald lacelule cu strat subtire: randarnentenergetic al modulelor de la 5 la7o/o: nu existd stranguldri inaprovizionare chiar gi la oproduclie de ordinul 'l 'eraWatt

. Celule pebazd de siliciu cristalin,ex. microcristale (pc-Si) incombinatie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeagi ca lasi l iciul amorf

2. Semiconductoare pe bazi de elemente din grupa III-Vo Celule cLr GaAs randarnent mare. fbarte stabil la schirnblrile dc tenrpcraturd. la

inc[lzire o pierdere de putere mai micd decAt la cclulelc crisral ine pe bazd desil iciu. robust vizavi de radiafia ultraviolet6. tehnologie scurnpd. sc uti l izeaza deobicei in industria spafiald (Galnlr/GaAs. GaAs/Cie)

3. Semiconductoare pe bazi de elemente din grupa II-VIo Celule cu CdTe utilizeazd o tehnologie foarte avantajoasd CBD(depunere de

staturi subliri pe suprafe{e mari in mediucu pH , temperaturd qi concentralie dereagent controlate); in laborator s-a atinsun randament de 160/o, dar modulelefabricate pAnd acum au atins unrandament sub 10%. nu se cunoaitefiabilitatea. Din motive de protecliamediului este improbabil[ utilizarea pescard larg6.

4. Celule CIS, CIGS CIS este prescurtarea de la

Cupru-lndiu-Diselenid produs in stafie pilot la firma Wiirth Solar in Marbach am Neckar,respectiv Cupru-lndiu-Disulfat la firma Sulfurcell in Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs in stalie pilot in Uppsala/Suedia. Randamentul pentruproduse comerciale este de pdndin l5o/o.

5. Cefufe pe bazl de pigmenti Nr-rrnite gi celLrle Grritzel utilizeaz.a pigrnenti naturali pentrLrtransformarea luminii in energie electricd: o proceduri ce se bazeazia pe ef'ectul defbtosintcza. De obicei sunt de culoare mov.

6. Celule pe bazi de polimeri Deocamdatd se afld doar in fazd de cercetare.

I Celule de laborator I Celule prototip I Celule comerciale

Procedee defabricayie

Celulele solare obisnuite pot fi confecfionate dupi mai multe metode de fabricatie.Materia primi siliciu este al doilea element chimic din compozifia scoarfei terestre in privinfacantitatdfii. Se regdsegte in compugi chimici cu alte elemente formdnd silicate sau cuarf. Pentruproducerea Si pentru PV se recurge la o tehnologie Siemens bazat pe un procedeu de tip CVD(condensare de vapori de siliciu), procedeu elaborat gi optimizat pentru ramura demicroelectronicd. Pentru fabricarea de celule solare este foarte importanti puritatea pl[cii desiliciu in toati masa ei pentru a asigura o cdt mai mare durati de via!6 pentru purtdtorii desarcinl, pe cdnd in microelectronici cerinfa de foarte inaltii puritate se rezumi in principiu lastratul superior pdn[ la o addncime de 20-30 pm. Deoarece intre timp consumul de siliciu deinalti puritate pentru fabricarea de celule fotovoltaice a intrecut pe cel pentru microelectronici,actualmente se fac cercetiiri intense pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale maiieftine optimizate pentru celule solare.Cu toate cd procesul de producfie a siliciului pur este foarte energofag, energia consumati lafabricareaa celulelor solare, in funcfie de tehnologia utilizatil, se poate recupera in 1,5 pdnd la 7ani. Dacd se ia in considerare c[ durata de viafd a panourilor solare este de peste 20 ani bilanlulenergetic rczultat este pozitiv.

Si.mo

II

tr[@

mGrnrel

TehnoIoEI

a

I

Siliciul pur in continuare poate fi prelucrat in mai multe feluri. Pentru celule policristalineamintim procedeele de tumare Bridgman Si EVG, pe cdnd pentru cele monocristaline procedeulCzochralski. In fiecare din aoestea in procesul fabricare a blocurilor sau barelor se face simultangi impurificare cu Bor

Procedeul de turnare

Acesta se utilizeazi la fabricarea siliciului policristalin. Siliciul pur se topegte intr-un cuptor cuinducfie dupi care se toarnl intr-un recipient de form[ pltratl in care se supune la un proces dericire cdt mai lent posibil in cursul cdruia vor apare cristale cdt mai mari posibil. Recipientul aredimensiunile 50x50 cm, masa solidificatd avdnd inilfimea de 30 cm. Blocul astfel solidificat setaie in mai multe blocuri mai mici cu lungimea de 30 cm. Un alt mod reprezinti turnare continui,procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la dimensiunile cerute. Avantajulconstd in eliminare pierderilor rezultate din t6iere.Un alt mod reprezintd turnarea continui, procedeu prin care materialul este turnat direct pesuport la dimensiunile cerute. Avantajul consti in eliminare pierderilor rezultate din tdiere.

Procedeul Bridgman

Procedeul numit dupl Percy Williams Bridgman este aplicat tot in procesul de fabricare asiliciului policristalin. Siliciul pur se tope$te tot intr-un cuptor cu inducfie dar procesul de ricirein urma clruia in masa topitl se formeazd mari zone ocupate de cdte un cristal are loc chiar incuptor. Materialul se supune unei incIlziri progresive pornind de labazd astfel incdt in momentultopirii stratului superior, labazd, deja se produce intirirea materialului. Dimensiunile blocuriloroblinute sunt mai mari (60x60 cm -70x70 cm) cu inilfimea de 20-25 cm, qi se procedeaz[ latiierea lor in blocuri mai mici avind lungimea de 20-25 cm.

Procedeul Czochralski

Este utilizat la fabricarea de bare lungi monocristaline. inainte de t6ierea pldcilor necesarecelulelor, barele cilindrice rezultate se ajustaeaz6 astfel inc0t s[ prezinte o secfiune pdtrat6.

Procedeul de topire zonald

Se mai numeqte gi procedeu Float-Zone gi se aplici tot la producerea monocristalelor de siliciusub formd de bar[. Puritatea materialului oblinut fiind superioard celei necesitate inconfecfionarea celulelor solare, gi costurile fiind mari, prodedeul este rar utilizat. Singura firmdce utilizeazi acest procedeul este SunPower din Statele Unite.

Fabricare de discuri/pldci subliri de siliciu

Din barele de cristal vor fi seclionate pldcute cu un fierlstriu special const0nd dintr-o sArmdlungi pe care s-au aplicat particule de diamant qi care este inftgurati pe cilindri ce se rotesc. Unbloc este complet secfionat in pldcule de cca 0,18...0,28 mm la o singurl trecere. Praful rezultatin urma debitirii este inutilizabil qi reprezintd"pinS la 50 % din material.

8

Prelucrarea pldcilor de siliciu

pllcile debitate vor fi trecute prim mai multe bai de spilare chimicl pentru a inl[tura defectele

de debitare qi a preg[ti o ,up.ufu1a potrivit[ captlrii luminii. Pentru aceasta s-au elaborat diferite

procedee utilizate de fabricanli.in mod normal in aceasti fazi pllcile sunt deja impurificate cu bor. Aceasta inseamn6 ci se

giseqte deja un surplus de goluri care pot capta electroni deci avem o impurificare tip "p". Pe

iarcursul i.ocesului de fabricare a celulei solare pentru crearea uneijonc{iuni "p-n" este necesar

sa impuriRcim suprafafa ei cu impuritili de tip "n" ceea ce se poate tealiza intr-un cuptor intr-o

atmosfer[ de fosfor. Atomii de foifor pltrund in suprafali gi vor crea o zon6 de cca I pm cu un

surplus de electroni.pasul urmitor va consta in ad[ugarea unui electrod transparent din SiN* sau TiOz .

Urmeaz6 imprimarea zonelor de conact qi a structurii necesare pentru colectarea curentului

generat. Fafa celulei este previzuti de cele mai multe ori cu doul benzi pe care ulterior se vor

hxa leg6turile dintre mai multe celule. in afari de aceasta se va aplica o grill conductoare foarte

sublire , care pe de o parte deranjeazl foarte pulin intrarea luminii, pe de alt[ parte micqoreazi

rezistenla electric6 a electrodei. Reversul pleiii de reguli este complet acoperit cu un material

bun conductor de electricitate.

Fabricorea pldcilor semiconductoare in mod direct

in dorinla de a se evita detagarea placilor din blocuri , se glsesc diferite alte modalitS{i ce permit

fabricarea celulelor solare.

Procedeal EFG

EFG este prescurtarea de la Edge-defined Film-fed Growth. Prin acest procedeu dintr-o cad6 de

grafit inc6izit6 electric se trag in sus tuburi octogonale de cca 6 pdni la7 m cu o vitezl de cca I

mm/s. Lllimea unei fele est-e de lO-12.5 cm, iar grosimea peretelui atinge cca 280 pm. Apoi

tuburile vor fi t[iate de-a lungul canturilor cu un laser NdYAG, dupd care fiecare faletd pe baza

unei grile de-a latul. Astfel se pot realizacelule cu diferite dimensiuni (de exemplu l2.5xl5 cm

sau D.5x12.5 cm). in acest frl rc obline o intrebuinlare de 80%o a materialului disponibil'

Celulele astfel realizate sunt deobicei policristaline, care la vedere se deosebesc clar de cele

debitate, printre altele suprafala lor eite mai ondulati. Acest procedeu se mai numeqte qi

procedeu octagonal sau de extrudare.procedeul EFG este utilizat de firma Schott Solar in Germania gi a fost dezvoltat de firma ,4SE

Solar din Statele Unite.

Procedeul String-Ribbon

Mai exist6 un procedeu dezvoltat de firma Evergreen Solar din Statele (Jnite cate consti in

tragerea cu ajutorul a dou6 fire a unei pelicule din siliciul topit. in cursul acestui proces rezulta

ma] puline depeuri (qpan ce trebuie inliturat) ca la procedeele uzuale.

Procedeul cu transfer de strut

La acest procedeu direct pe un substrat (corp sublire solid, deobicei cu o orientare cristalind

predefinit^6) se creqte un .ono..istal de siliciu sub forma unui strat de cca 20 pm grosime' Ca

material purt6tor se pot utilizasubstraturi ceramice, sau siliciu supus unui tratatament superficial'placa format6 ca fi deprinsi de stratul purtitor care in continuare va putea fi reutilizatd'

9

Avantajele procedeului constau in consumul de siliciu semnificativ redus datoriti grosimii mici,gi lipsa degeurilor din debitare (pas ce nu mai mai apare in acest procedeu). Randamentul atinseste mare qi se situeazd in dorneniul celulelor monocristaline.

2.3 Generatorul fotovoltaic

Schema de reprezentare a unei celule solare (reprezentatd in Fig. l0) este compusi dintr-o surside curent legati in paralel cu o diodd ideal6. Aceasti sursd produce un curent dependent deintensitatea luminii gi este modelat de fotocurentul Ip1,

Fig. l0

Caracteristica curent - tensiune (I-U) a unei celule solare (generator fotovoltaic) conformschemei de reprezentare din Fig. 10 este:

r = t on - r p = t oo - r ol "*o( q@r:rrr)] -'l - Il# r,l"L ' , \ .

AkBr ) ) Rp

unde: Ipn este fotocurentul (A);1p - curentul diodei ideale (A);16 - curentul de saturafie (A);A - factor de corecfie;q - sarcina electronului (C);kB - constanta Boltzman a gazelor perfecte (JK-t);T - temperatura joncfiunii (K);R, - rezistenfa serie (O);R, - rezistenfa paralel (guntul) (A).

in acest caz caracteristica generatorului fotovoltaic (celulei de curent) conform relaliei (1) poatefi reprezentati ca in Fig. I l.

Iph

La intuneric celula solard nu este activ[. Aceasta funcfioneazi ca o joncfiune p-n, adicl ca odiod[. in acest caz dacdeste alimentati de o surs[ externi atunci tensiunea gi curentul la bornelecelulei sunt date de ecuatia diodei:

,,=r,[oo(+fl-r]Caracteristicile celulelor solare

Caracteristica curent - tensiune (I-U) a unei celule solare are trei puncte semnificative: curenfulde scurtcircuit /"" reprezentat de punctul M din graficul din Fig. 12, tensiunea de mers in gol Uo,atinsi in punctul S qi punctul de putere maximi A.

r r rli

u trt

Fig. l2

Caracteristica de scurtcircuit

Pentru U=0 din (l),

r u = r on -,,1 "*o( #l - tl -+L \^kBT) ) Re

La un nivel normal de luminl efectul rezistenfei in serie poate fi neglijat cazin care curentul descurtcircuit poate fi asimilat cu fotocurentul, adicd proporfional cu-energia radiantl B (Wm-1(Fig. 13 a))

I u= Ion=KE,

undeKesteoconstanti.

l l

\ItII,

II

I

- - - - - - t

tf\

\ - - - - - l

a)

Tensiunea. V

saturalie curentului 10 cu cregterea temperaturii.

. f=0

Fig. 13

Caracteristica de mers in gol (punctul S din Fig. 12) conform schemei din Fig. 13 b) poateexprimatd astfel:

u"" =AkuT rnf1"-+l' Iq [ 1 0 )

1"=I

It l'{o

\\\

{a

EI

ceea ce corespunde de fapt cu o cddere de tensiune pe joncfiunea p-n cdnd este traversati defotocurentul 1ol.Tensiunea de mers in gol cregte logaritmic cu cregterea nivelului de radiafie gi descregte liniar cucregterea temperaturii in jonc{iune (Fig. l4). Acest efect se datorcazd cregterii exponenfiale a

Fig. 14

Funclionareo cu putere maximd a celulei solare.

Se considerd caracteristica curent - tensiune (I-U) a unei celule solare pentru un anumit nivel alradiafiei (luminii) E,la o temperaturi fixati T. Daca celula solar[ este conectat[ la o rezisten{5variabil6 R atunci punctul de functionare se dterminI prin intersectarea caracteristicii I-U alcelulii solare cu caracteristica de sarcin6. pentru o sarcin[ rezistivi curba de sarcin[ este odreaptd cu panta l/R (unde I/V:l/R). Atunci:

i. puterea cedatd sarcinii est dependentl doar de valoare rezisten{ei R.ii. puterea maximd este obfinut[ pentru R:Ropt, in punctul A (Fig. 12) unde caracteristica I-

U este tangentl la hiperbola de putere constantd,

(lco ost oto otaorFgtt

12

r lRoo, =?

' / .o

Pentru un nivel al radia{iei constant gi o temperatura constantii funclionarea celulei solare inregiunea NP se face frrd o restrictie asupra tensiunii sau curentului (Fig.12).

a. daca sarcina R este micl celula solard va opera ln regiunea MN a caracteristicii (Fig. l2).in aceast[ regiune celula se va comporta ca o sursd di curent constant, al clrei curent esteaproape egal cu cel de scurtcircuit.

b. daci sarcina R este mare atunci celula va funcfiona in regiune PS a caracteristicii. inaceastii regiune celula se va comporta ca o surs[ de curent constanto dar al cirei curenteste aproape egal cu cel de funcfionare in gol.

l 3

3. Sisteme energetice la bordul satelitilor

3.1. Introducere

Puterea necesara a satelitilor vechi era de cativa watt. Astazi, satelitii folositi intelecomunicatii necesita kilowatt, iar aceasta cerinta creste in continuu. Aeronavele spatiale deaparare sunt estimate a avea cerinte de sute de kilowatt, si unele modele chiar sute de megawattde putere. Radiatia solara este singura sursa externa de energie disponibila in spatiu. Orice sistemce nu foloseste energie solara trebuie sa detina propria sursa de energie la bord, cum ar fi baterieprimara, celule de combustibil, celule chimice si nucleare de combustibil.

frcUnE 3.1 Baoic componerrts of a spacecralt power Eystem.

Componentele de baza ale sistemului electric al unei aeronave sunt prezentate in Figura3.1. Ele sunt: sursa de energie primara, conversia de energie, reglarea de putere, mediu destocare reincarcabil, distributia si protectia energiei, si consumatorul (echipamentele).Principalele surse de energie sunt: radiatia solara, radioizotopii, reactoarele nucleare si celuleelectrochimice si/sau chimice. Conversia de energie se poate face fotovoltaic, termoelectric, cualtemator dinamic, sau cu celule de combustibil sau thermoionice. Mediul de stocare a energieieste in primul rand, electrochimic, cu toate ca o tehnologie noua este in curs de dezvoltare decatre NASA la Glenn Research Center (GRC).

Pe baza optiunilor disponibile, ce sunt compatibile cu o anumita misiune, se aplicastudiul de optimizare al satelitului pentru selectarea celei mai bune combinatii de surse deenergie, de conversie a energiei, precum si tehnologii de stocare a energiei. Selectia finalatrebuie sa indeplineasca mai multe criterii, dar principalele sunt intotdeauna masele mici si costulscazut al ciclului de viata. O astfel de selectie este in mare masura influentata de nivelul deputere si de durata misiunii, asa cum este aratat in figura 3.2. Liniile de separare intre diferiteleoptiuni sunt doar aproximative si au mari suprapuneri. Urmatoarele sectiuni descriu pe scurtraza de aplicare optima a acestor optiuni. Descrierea detaliata si performantele acestor desfolosite optiuni sunt abordate in capitole separate.

r00 Mw(btJill

r0 Mw

r M w

r00kw

10 kw

r k w

t00w

Deys Wo€ks Itllontft8 '|@ts

FIGURE 3.2 Optimun energy sourcs for varios power leveb and mision duratioro'

t4

3.2Baterie primara

O baterie primara poate alimenta o aeronava de dimensiuni mici, care necesita doarcativa watt, timp de cdteva zile. In primele misiuni ale navelor spatial, acestea au zburat cubaterii de tip AgZn si NaS. Chiar si astazi, sateliti cu durata scurta de viata care transportainstrumente simple pot fi proiectati utilizdnd o baterie primara, cum ar fi LiCFx ca singura sursade energie, astfel eliminand panoul solar.

Celula bateriei e alcatuita din doua placi de electrod scufundate intr-o solutieelectrolitica, dupa cum se observa in Figura 3.3(a). Electrochimia celulelor genereaza o diferentade potential electric intre electrozi, care pot conduce curent electric printr-un circuit extern desarcina. Astfel, bateria transforma energie chimica stocata dintre placile de electrod in curentelectric continuu. Celula poate genera doar o anumita intensitate, masurata in amperi-ore (Ah),inainte ca sursa de energie sa fie epuizata. Tensiunea celulei scade odata cu descarcarea baterieidupa cum se observa in figura 3.3(b). Bateria primara are o electrochimie ireversibila. Ea nupoate fi reincarcata, dupa ce a fost consumata. Apoi este aruncata, de multe ori ejectata din navaspatiala pentru a scapa de greutate.

(a) Consruabn

50 100Ah dlscfiargsd 7"

(b) \/o|tage cftaracterlstc

FIGURE 3.3 Battery cell construction and voltage characdstics.

3.3 Baterie solara fotovoltaica

Una dintre cele mai valoroase inovatii in industria spatiala a fost celulele fotovoltaice(PV) utilizate pentru a converti lumina solara in energie electrica pentru satelitii care orbiteazaPamdntul. Aceasta technologie de conversie a energiei este cea mai utilizata pe scara larga inindustria care a revolutionat fluxul informatiilor, folosind sateliti de comunicare de mare putere.Cerintele de putere variind intre zeci de watt si cativa kilowatt pe o perioada de la cdteva lunipdna la 15 la 20 de ani poate fi indeplinta de o serie de celule fotovoltaice. Sateliti ce necesitacurent electric in continuu, chiar si in timpul unei eclipse, trebuie sa utilizeze o bateriereincarcabila, impreuna cu o celula fotovoltaica. Bateria este incarcata cu ajutorul luminii solare,si este utilizata in timpul unei eclipse. Un regulator de curent este si circuite de control, suntfolosite in functie de fiecare misiune.

t , t1 .C't.4

o 1.2EDS r.o9 0.,oQ 0.8

0.4o.2

0

Lo.d

Elecfdyto

l 5

Orlltm|d||||aflrtdr goorn.ry

L X tF:.v

u f ] ) , \-v-

ftnypohunestd $rdoyvlng

BrblhJiorlrnd p.olacdort

EPS sate,had dornard,battery DOD

FIGURE 35 Solar photovoltaic-battery power system cunfiguration.

Schema genera la a unei baterii fotovoltaice este prezentata in figura 3.5. Toatecomponentele in afara de panourile solare se afla in interiorul satelitului. Corpul satelitului sipanourile solare sunt mentinute relativ la soare si la pamdnt. Corpul este mentinut constant cu oorientare fata de Pamint, in timp ce inclinarea o si p orienteaza panourile solare catre la soare.Inclinarea o se roteste o singura odata cu 360 de grade pentru fiecare ciclu pe care satelitul ilorbiteaza in jurul Pamdntului. Inclinarea B se roteste cu + B pentru a compensa variatia unghiuluicu soarele si pentru a preveni umbrirea panourilor solare. Nu toti sateliti au inclinare p, daraproape toti ce utilizeaza puterea panourilor solare pentru generare de energie au o inclinare a.Cea mai folosita forma de inclinare o este un panou solar asamblat cu un disc rotund intr-unsatelit stabilizat pe cele 3 axe, si transferul de putere rotativ montat intr-un sistem giroscopic.Erorile unghiulare induse de distorsiuni structurale sunt compensate de setarile inclinarilor a si /sau B.

Pmax r 75.0p

Sh8(b tim€

Eeta engle

180 a)0 260Ttne (&!€)

Energy balan€,load dernand.compooent data,tolsrndry, andcomrnands

FIGURI_3.5 Beta angle ard c.cliFr: duratisr variation with season for the lnternational SpaceStation. (Source: NASA Glenn SpACE Team/f. Hoinicfi.)

Variatiile sezoniere ale unghiului B si durata eclipsei de peste I an, pentru InternationalSpace Station aflatala 400 km altitudine si 51.6 inclinatie orbita, sunt prezentate in figura 3.6.Pentru un proiect de sistem dat, puterea dispozitia echipamentelor variaza intr-un an datorita

l 6

g)

80

e , Oc

gNtF O6

!-,IS -ro

-80

ffi: ' . RAT. '

Votnel ,Surnmer .AJturmal*ti-r, lsoHhe , leqrtnox

Vomalequrnox

variatiile sezoniere in unghiul B. La unghiuri mari +B, cdnd durata eclipsei este zero, capacitateade incarcare a sistemului cu energie electrica este cea mai mare, deoarce nu este necesaraconsumul bateriei. Pentru ISS, nu exista nici o eclipsa pentru P > 71, ce ar face statia sa orbitezesincronizata cu soarele.

r60t40

Ceil rcltage (V)FIGURE 3.7 Degradation in l-V chanactreristics of a typical Pl/ crll under radiation.

Celula fotovoltaica a fost de la inceput o piatra de temelie pentru sistemele electricespatiale. Celula este o dioda aflata la intersectia a doi semiconductori cristalini, care producenergie electrica la lumina soarelui. Performantele sale sunt caracterizate de tensiunea la borne siintensitatea curentului, asa cum se observa in figura 3.7. Cele doua puncte extreme pe aceastacurbao si anume circuitul deschis de tensiune Voc si scurtcircuitul de curent Lr., sunt adeseafolosite ca indicatori de performanta. Maximul de putere generat de o celula este produsul V6" *

Lr., si un factor care este aproximativ constanta pentru un anumit nod. Caracteristica I-V acelulei fotovolatice se degradeaza, asa cum se observa de catre liniile subtiri, cu crestereainfluentei sarcinilor incarcate pe panoul solar. Aceasta degradare are drept rezultat scadereaputerii de generare a energie odata cu timpul. Combinatia dintre variatiile sezoniere ale unhiuluiB si degradarea anuala a sarcinilor incarcate, face ca generarea de energie a panoului solar savarieza dupa cum se vede in figura 3.8.

\tare in s€rdc6FlcuRE 3-8 Degratrati.n rvf sorar anay outprrt Fovrer vrrlsrrs servrFe ve.rrs_

^ 120

Et*EBoEoo

40

20

0 0.20.1 0.60.50.40.3

140

i q f 0 0

!BoEE60ED

F4020

17

3.4 Concentrator Solar - Sistem energetic dinamic

Energia solara poate fi utilizata si in alte sisteme decat celulele fotovoltaice. De exemplu,energia soarelui poate fi colectata sub forma de caldura, folosind un concentrator. Caldura, larindul sau, este utilizata pentru a genera abur si a pune in functiune prin rotatie, un turbo-generator sau un piston altemator. Oricare din cele doua metode foloseste o transforrnaretermodinamica de enersie.

COI.ICEHTNATOR

RADIATOR

RECEIVEB

'NTERFACESTFUCTTJRE

ffiT5fi,E"JXifFi.9,T"",sD gautPltElttT

FlGuRt lf'9 5tlar follltrlllr'lltrr-tltmrtmir \v{rcrr. (hrlrrce: NA$r\ L"[r.'n l{erurrrh le^r.or.)

Sistemul solar de alimentare a fost un candidat principal pentru proiectarea primelor statiispatiale, avand o necesitate de putere de aproximativ 300 kW. Configuratia sistemului se observain figura 3.9. Un concentrator parabolic preaia caldura de la Soare cu ajutorul unui receptor, carela randul lui fierbe un fluid. Fluidul poate fi orice lichid adecvat sau chiar si lichid de metal, cumar fi clorura de potasiu. Aburul de inalta presiune ce se produce in receptor pune in functiune oturbina cu abur, bazata pe ciclul Rankine. Lichidul poate fi de asemenea si un gaz, cum ar fi unamestec de heliu si xenon, avdnd o greutate moleculara in jur de 40. Acest gaz incalzitporneste oturbina ce functioneaza pe baza ciclului Brayton. Cu toate acestea, sistemul bazat pe gaze,m\nimizeaza eroziunea si problemele ce apar la transportul unui lichid. In ambele cazuri,lichidulavand temperaturi mari si presiuni mari pune in functine o turbina, care la r0ndul sau porneste ungenerator electric. Eficienta conversiei energetice este de doua ori mai mare fata de cea asistemului fotovoltaic. Astfel, se minimizeaza suprafata de colectare si rezistenta la inaintare intimpul orbitarii Pamdntului. Un avantaj indirect este faptul ca mediul de stocare a energiei esteinterconectat in sistemo fara costuri suplimentare. In principiu este stocata sub forma de calduralatenta cufaza de schimbare la temperaturi inalte, in jur de 1000 K.

Energia extrasa in timpul unui ciclu termic depinde de temperatura mediului. Eficientamaxima de conversie termodinamica care pot fi realizata teoretic cu reactii la cald (temperaturaT616) si rece (temperatura Trr..) este data de eficienta ciclului Carnot, astfel:

rRllt5y"^r"EOOU

TlCarmot: (T"aa - T...r) I T"aa

l 8

in cazul in care temperaturile sunt in grade absolut. Cu cdt este mai mare temperatura mediuluicald si si cu cat este mai mica temperatura rece de evacuare, cu atdt este mai mare eficienta deconversie a energiei solare in energie electrica. Cu toate acestea, reactia la temperatura calda,T.u16, este limitata de proprietatile mediului de lucru. Temperatura rece, Tr..., este in mare masuradeterminata de metoda de racire si de mediul disponibil pentru disiparea caldurei.

Dinamica curentului electric include un sistem de stocare a energiei termice pentru oreintregi fara nici o degradare a performantelor, sau pentru o durata mai lunga cu mici degradari.Aceasta tehnologie este capabila sa produca energie electrica pentru indeplinirea cerintelor devdrf. Mai mult decdt atdt, in comparatie cu sistemul fotovoltaic, sistemul termic este maieconomic, deoarece se elimina costisitoarele celule fotovoltaice precum si bateria.Concentratorul solar are un sistem turbo-alternator ce ofera un avantaj semnificativ in eficienta sigreutate, prin urmare costul total este mai mic fata de tehnologia fotovoltaica. Avantajul vine dineficienta mai mare a motorului (aproximativ 30o/o), comparativ cu celule fotovolatice de siliciu(circa lsyo), si din eficienta mai mare de stocare a energiei termice ale destinatarului(aproximativ 90o/o), comparativ cu eficienta bateriior (in jur de 75%).

Conceptul este suficient de dezvoltat pentru a fi utilizat in viitor, in special in misiuniLEP. De asemenea, se poate gasi in aplicatii de aparare la navete spatiale unde marile panourisolare poate face nava nemanevrabila si vulnerabila la detectia si atacurile inamice. Eficientaridicata si o zona mai mica de colectare a energiei solare, are ca rezultat reducerea rezistentei lainaintare si mai putina ingrijorare cu privire la dinamica statiei, coridoare de abordare, siunghiuri de vizualizare experimentale. Reducerea rezistentei la inaintare este deosebit deimportanta, deoarece permite zbor la altitudini mai mici, in cadrul unor constrdngeri decombustibil si de declin al orbitei in timp. La radarele spatiale (SBR), ce au o putere in jur de100 kW, folosirea panourilor solare este interzisa. Sistem de alimentare poate fi extrem deeficient din punct de vedere al costurilor, pe o gama larga de puteri variind intre cdtiva kilowattsi sute de kilowaff. A fost luata in considerare in sistemele electrice bazate pe dinamicaizotopilor (DIPS) cu intervalul de putere intre 5 -10 kW, iarpentru statii spatiale cu intervalul deputere intre 200 -500 kW.

3.5 Alte sisteme

Exista si alte optiuni ale sistemului de putere aflate in diferite stadii de dezvoltare. Uneledintre ele isi pot gasi aplicatii in misiuni speciale de nisa. In evaluarea potentialului oricarei noitehnologii, primele consideratii sunt intotdeauna de masa, cost, fiabilitate si riscul tehnologiei.De exempluo un sistem care utilizeazaun fluid are un potential de scurgere si vibratii. Pe de altaparte, un sistem care nu are parti mobile are trei avantaje: fiabilitate ridicata, fara vibratii, si niciun cuplu pe platforma.

3.5. I Termo-fotovoltaice

In sisteme termo-fotovoltaice (TPV), radioizotopii de energie solara sunt trimisi catrecelule PV, spre deosebire de actuala utilizare a RTG-urilor pentru generarea de electricitate. Areo eficienta de conversie semnificativ mai mare. Prin uffnare, s-ar putea gasi aplicatii in diversemisiuni in care costul ridicat sa poate fi acceptabil. Sistemul poate avea o conhguratie cilindricasau plana, asa cum se observa in Figura 3.11. O suprafata incalzitaradiaza caldura infrarosu pe oserie de celule fotovoltaice sensibile pe gama infrarosu. O parte din energie este transformata incurent electric (a.c.); iar o alta parte reflectata inapoi si disipata ca energie termica. Procesul deconversie a energiei este diferit de cel din celulele fotovoltaice conventionale. Randamentul

19

variaza in functie de temperatura radiatorului. Aceasta variaza de la l0%o la 800 C la l2o/o la1 100 C, pe baza caldurii absorbite, dar este de doar 3 - 4% fata de energia totala.

BadFrlor Spsdnrl ftlbt Thermo-PV

Fadiant spGctnm--+>+-

Bslou/bandgeppt|olqn$

llCUnE 3. I I Thermrr-p hrrtovrrltaic crnverter-

Cele mai actuale TPV-uri utilizeaza celule PV de banda scurta cum ar fi 0.55 eV InGaAssau 0.73 eV GaSb pentru aoptimiza raspunsul celulei la surse de energie in intervalul l-2 pm.Banda scurta a acestor celule duce la o tensiune mica in circuitul deschis (in jur de 0.25 - 0.45 V)si o rata de incarcare. Astfel, celulele trebuie sa fie exploatate la temperaturi joase, in general sub60 C pentru a obtine o tensiune adecvata. Ca rezultat, un radiator mare este necesar. Temperaturaare o influenta considerabila asupra performantei celulelor PV. Banda scade odata cu crestereatemperaturii, iar fotocurentul creste odata cu temperatura absorbind mai multi fotoni de laemitator. Cu toate acestea, tensiunea celulelor din circuitul deschis scade liniar cu crestereatemperaturii celulelor datorita cresterii exponentiale in saturatie de curent.

Conceptul TPV si-a reinnoit interesul datorita dezvoltarii tehnologiei semiconductoarelor.Dezvoltarile recente au produs materiale cu banda scazute (0.50 - 0.55 eV), care este asemanatorcu substraturile de GaSb. Aceste evolutii permit sistemului TPV sa obtina o eficienta rezonabilasi densitate de putere cu radiatoare ce functioneaza la circa 1000 C. Laradiatoare de temperaturimici, sunt destule optiuni viabile pentru sursa de caldura si un numar de aplicatii devin atractive.O eficienta de conversie de 11,7%oa fost raportata la un radiator cu temperatura de 1076 C si otemperatura a modulului de 30 C. Acesta este cel mai mare randament pentru un sistem TPVintegrat. Acesta este raportul dintre vArful productiei de energie electrica si de rata de absorbtie acafdurii. Celulele TPV se degradeaza la fel ca celulele GaAs, prin urmare, este potrivit pentruaplicatii pe orbita Pamantului ce trece prin centuri de radiatii.

3.5.2 Termo-electrice solare

Sistemul electric pentru o sonda ce functioneaza in apropierea soarelui la temperaturiridicate nu poate folosi in mod eficient celulele PV din cauza temperaturilor severe ce afecteazaperformanta. Intr-o astfel de misiune, caldura solara colectata poate fi directionata catre o seriede convertoare termo-electrice (TECs). Detaliile acestei conversii de energie, in astfel desisteme, sunt la fel cu cele din sistemele RTGs descrise in capitolul 20. Singura diferenta dintreRTG si solar-termoelectrice este sursa de caldura. Sursa de energie a RTG-ului este o reactienucleara cu un radioizotop potrivit, in timp ce sursa de caldura in sistemul solar-termoelectricvine de la soare.

20

3.5.3 Thermionic

ln acest proces de conversie, energia termica este transformata in energie electricautilizand electroni eliberati de la un corp cald, cunoscut sub numele de emisie thermionica sau deefectul Edison. Electronii eliberati de la catod sunt colectati la anod, si este stabilit un circuitinchis printr-o rezistenta pentru a completa circuitul inapoi la catod. Nu exista parti mobile.Conceptul este unul vechi, dar atragere interese de noi datorita progreselor facute in materialerezistente la temperature inalte. Convertorul thermionic este, de fapt, un motor termic actionat cuelectroni, si este limitat la eficienta ciclului Carnot. Din acest motiv, acesta functioneaza latemperaturi mult mai mari, in jur de 1800 - 2000K pe partea calda si 800 - 1000 K pe partea rece.Acest lucru impune limite in alegerea materialelor si a duratei de viata a acestora. De asemenea,convertorul thermionic produce o tensiune foarte joasa ce necesita un nivel de putere mai mare.Exista mai multe proiecte in curs de dezvoltare cu ajutorul finantarii de la Departamentul deAparare(DoD). Un exemplu tipic de dezvoltare este combustibilul thermionic care integreazaconversia combustibilului nuclear pentru zboruri spatiale foarte lungi, puterea fiind cuprinsaintre kilowatt si megawatt. Convertoarele umplute cu gazionizat, cum ar fi vapori de cesium, areun randament mai mare din cauza neutralizarii spatiului.

In Rusia a fost construit si testat un sistem thermionic de 100kW cu un reactor nuclear, sieste considerat scalabil pana la 300kW, si la un nivel de putere megawatt. Un sistem dealimentare folosind un concentrator solar thermionic poate fi practic pdna la l00kw. Aceastatehnologie nu este potrivita pentru niveluri de putere mai mici decdt cdtiva kilowatt. GeneralAtomic a proiectat o unitate de 50kW, in care caldura solara este concentrata direct pe catod,eliminand astfel necesitatea unui lichid. Eficienta de conversie este de aproximativ l0%o, atuncicand pe partea de sus temperatura este de 1800 K, si 57o atunci cand pe partea de sus temperaturaeste doar 1000 K. Putere specifica poate ajunge pana la 700 - 1000 W / kg.

3.5.4 Metal alcalin, convertor termo-electric

Metal alcalin convertor termo-electric (AMTEC) este un sistem direct de conversie dinenergie termica in energiei electrica. Functioneaza la temperaturi de circa 1000 K pe partea caldasi 600 K pe partea rece, si are un randament de eficienta de 18% la 20o/o. Acesta este un sistemstatic potrivit pentru nivelurile de putere sub 100 W. Se foloseste o caracteristica unica ametalelor alcaline ce sunt conductoare de ceramica B-alumina. Este un electrolit solid careconduce ionii de sodiu, dar este un izolator de electroni. Un potential electrochimic este generatatunci cdnd sodiul este prezent la doua presiuni diferite, separat printr-un electrolit. Sodiul estecirculat printr-un convertor folosind un tampon poros din otel inoxidabil care are o zona capilarade presiune. Nu are parti mobile si dezvolta o tensiune joasa care necesita un nivel ridicat deputere specifica. O versiune comerciala a acestei tehnologii cu eletrozi din nitrat de titan estefolosita pentru instrumente de mare adancime in industria petroliera. AMTEC este in curs dedezvoltare pentru utilizarea in spatiu folosind un radioizotop ca sursa de energie termica pentruspatiul interplanetar care necesita putere in jur de cateva sute de watt.

3.6 Comp ̂r^tia Tehnologiilor Optiuni

Limita practica si caracteristicile de performanta a sistemelor de mare de putere suntrezumate in Tabelul3.1. Desi, sistemul pe baterii photovoltaice este cel mai largutilizat sistem la

21

sateliti, o varietate de tehnologii alternative au fost instalate, dezvoltate, si sunt in curs dedezvoltare pentru diferite misiuni. Tabelul 3.2 rezuma stadiul actual al tehnologiei spatialeimpreuna cu actuala dezvoltare, ce ar putea avea aplicatii promitatoare in viitorul apropiat. Deasemenea include unele concepte care ar putea sa aibe potential in viitor.

Table Practical limit and ofvarious s$temPower sistem option Practical power limit

ftw)Net sistem efficiency

(%\Specific power

(W/ks)Solar - PV 20 l5-30 5-10

IsotoDe - TEC 7-15 7-t5Nuclear - TEC r00 7-15

Inginerii dezvolta in continuu tehnologii noi pentru posibile imbunatari a proiecteloractuale pe masura ce acestea vin de la laboratoarele de cercetare. De multe ori, aceste schimbariaduc beneficii consecutive. Beneficii cumulate se pot realiza prin incorporarea a mai multormodificari simultan intr-un proiect nou. De exemplu, DoD si NASA au finantat dezvoltarea sitestarea a unor panouri solare prototip ce ar putea avea o putere specifica de peste 100 de W / kg,cu un factor de 3 ori mai mare decat cea mai buna tehnologie, precum si un factor de 5 ori maimare decdt cea mai practica tehnologie. Acest proiect integreaza trei tehnologii promitatoare: ocelula fotovolatica foarte subtire si flexibila din cupru indium diselenide, un mecanism inteligentce utilizeaza metale cu memorie, precum si o multitudine de structuri usoare. Un criteriuimportant in punerea in aplicare a unei noi tehnologii este calificativul dat dezvoltarii si azborului. Noile componente trebuie sa fie supuse unor teste costisitoare si consumatoare de timp,pentru a demonstra capacitatea lor de a fi rezistente la lansarea in spatial si mediului cosmic.

3.7 Sistemul de tensiune Optiuni

Nave spatiale timpurii aveau echipamente de cdteva sute de watt folosind 28 V DC,bazate doate pe specificatiile produselor disponibile la acea data. De atunci, cerintele de putereau crescut in mod semnificativ. Cum puterea este produsul dintre tensiune si curent, pentru aobtine o putere mare este necesara o tensiune inalta pentru a mentine cerinta actuala la un nivelrezonabil. In caz contrar, excesul de putere in comutarea dispozitivelor si pierderea 12 R inrezistente reduce considerabil eficienta sistemului. In ziua de azi, navele spatiale au tensiunioarecum standardizate in linia de productie, de catre diferiti producatorii si agentiiguvernamentale, iar aceasta sunt: 28 V, 50 V,70 V, 100 V,120 V, si 160 V, dupa cum seobserva in Figura 3.12. Limita de 160 V provine in primul rdnd de la rezistentele nule ceinteractioneaza cu plasma, in special in orbita apropiata Pam6ntului. Peste 160 V, curentul descurtcircuitare cu plasma a panourilor solare creste exponential cu tensiunea pe intervalul 180 -200 v.

i:t1i- tssI

I LMTooo, BssTopI WA2100I

I sssoot- t l

. Earty salollttos

I

l l

1 kw 5 hw 20 kw '!otl kw

Fowef le\el

flCURI 3,12 t)Ptirnun v!)ltnii{'t(tr v.lti{rllts Ftrrrt'r lt:1't[s'

rons

l ; l ' l u l

tsti

r l ruI t00f ? f lrO

50

2A

22

Variantele tehnolosice Stadiul tehnoloeieiCelule fotovoltaice: converteste luminasolara in electricitate

Utilizate in majoritatea misiunilor lungi pentrualimentarea cu energie. Limita de viata amisiunilor este de 15 ani, datorita degradarilordin centura de radiatii Van Allen.

Celule termoeletrice: converteste calduraradioizotopi lor in electricitate

Proiectate si testate pentru zboruri ce necessitacateva sute de watt. Sunt scumpe. Se utilizeazain misiuni cu potential nuclear sau care trec princenturi de radiatii Van Allen.

AMTEC: converteste calduraradioizotopilor in electricitate, folosind unmetal alcalin conductor termo-electric

Inca in stadiul de dezvoltare. Potrivita pentrumisiuni interplanetare si de explorare cenecesita doar cateva sute de watt.

Thermionic: converteste caldura inelectricitate

Convertoare solare sau nucleare au fostconstruite in laboratoare. Potrivite pentru sutede kilowatt. Au o putere specifica ridicata.

Reactor nuclear: converteste caldura inelectricitate

Au fost proiectate cateva reactoare prototip, darinca nu a fost testate in spatiu. In programelespatiale rusesesti s-a folosit multe ori acest tipde unitati. Este scalabila pana la nivelul demegawatt.

Celule de combustibil: convertestecombustibil chimic in electricitate

Sunt folosite frecvent pentru navele spatiale. Aufost luate in considerare pentru [SS. Pot aveaalte aplicatii in viitor.

Baterii Majoritatea navelor spatiale au baterii casisteme de backup, dar in misiuni scurtebateriile sunt folosite ca sistem principal dealimentare. Sunt dezvoltate complet.

Generatoare In stadiu activ de dezvoltare pentru a fi instalatepe tSS in anii 2006-2007. Scopul lor este de ainlocui bateriile.

Termo PV: converste caldura inelectricitate. folosind celule fotovoltaice

Inca in stadiul de dezvoltare. Putere specificamica, dar poate sasi aplicatii in misiuni de nisa.

Curentul de plasma este colectat de rezistente expuse la o tensiune variabila. Cu unconductor izolat, pierderea de putere din cauza curentului de plasma la imbinari s-a dovedit a fimica in laboratorul de testare de la NASA GRC. Testarea cu mai multe cabluri de materialeizolante, au aratat ca, curentul de plasma ramdne neglijabil la tensiuni sub cateva sute de volti.Cu toate acestea, la tensiuni de peste 200V, izolarea la imbinari a aratat efecte de scurtcircuitare.Daca conductorii au potential pozitiv mare in raport cu plasma, scurtcircuitarea poate cresterecurentul de electroni si pierderea de putere. Totusi, indiferent de sistemul electric al navelorspatiale, este putin probabil ca acestea vor avea potential mai mare de 100 V decat potentialulplasmei, deci scurtcircuitarea este putin probabil sa apara. O exceptie sunt panourile solare ISSde 160V, unde contactul cu plasma pastreaza structura aproape de potentialul plasmei. Cel maimare potential al panourilor solare este mai mare cu 100 V, astfel celule solare de la marginicolecteaza mai mult curent, crescand pierdere de putere si necesita o capacitate mai mare pentrucontactorul de plasma. Pentru alte nave spatiale ce necesita tensiuni mari, cum ar fi de 200 Vpentru SP-100, analizele au antat ca, pierderea de putere din cauza curentilor pe alte suprafeteeste mica in comparatie cu totalul curent generat, astfel, procentul de eficienta de pierdere este deasemenea mic.

23

O regula de baza este urmatoareao pentru fiecare metru patrat de conductor expus siconectat la 100 V pozitiv, se poate astepta un curent de I mA. Astfel, pentru un modul cu osuprafata de aproximativ 100 m'cu o tensiune de 100 V, doar un curent de 100 mA se poatepierde prin sistemul electric. Aceasta este o cantitate neglijabila in comparatie cu 100 A produsde un sistem de 10 kW putere cu o tensiune de 100 V.

O tensiune mai mare de 160 V poate fi utilizata cu cabluri izolatoare intr-o incintaecranata, asa cum se observa in Figura 3.13, precum si izolarea tuturor conectorilor si a placilorde circuite. NASA a ales un sistem de distributie de 120 V pentru ISS cu convertoare pentruhardware-ul existent de 28V. La inceputul proiectului ISS au fost luate in considerare tensiuni de270V DC si 440V si curent continuu de20Wlz, dar in cele din unna au fost alese panouri solarecu o tensiune de 160-V si un sistem de distributie de 120 V. Curentul alternativ a fost serios luatin considerare in proiectarea statiei spatial in anii 1980 pentru unele beneficii, dar ideea a fostabandonata datorita cerintelor de putere si costurile ridicate de dezvoltare.

W E M

Ttaycomr(aold)

Fli6|$a;' : . : . : . : ' :

Cable|ratJtFIGURE 3,13 Cov'.:red cnble tray pmtection againlt vo[tap Lreakdu*'n-

Un sistem ce are o tensiune foarte mare are un impact asupra selectiei de componente.Mai mult decat atat, exista limite de tensiuni pana la anumite nivele, in functie de tipul misunii.Factorii care influenteaza selectia tensiunii sunt:

- Puterea necesara, ca factor primar- Spatiul cosmic si plasma- Limita Paschen dintre 2 conductori izolati- Siguranta umana- Disponibilitateacomponentelor

24

4.Sistemul bateriei fotovoltaice

4.1 Introducere

Conversia fotovoltaicd a energiei solare este cea mai intilniti sursi de energie electricd inspafiu. O serie de celule fotovoltaice alimenteazd sarcina gi incarci bateriile in timp ce existialumin[ solar6. Bateria alimenteazd sarcina in timpul eclipsei. Dac[ panourile solare, bateria gisarcina funcfionau la aceeapi tensiune constanti nu ar fi fost nevoie de regulator de tensiune. Totechipamentul ar fi fost legat la acelagi magistrald. Totugi, panourile solare fumizeazl mai multdenergie la inceputul vietii gi cdteva minute dupi eclips6, cdnd panourile solare sunt reci.Deasemeni bateria are o tensiune mai mici in timp ce alimenteazi releaua decdt atunci c6nd seincarc[. Deoarece este necesar ca sitemul si furnizeze relelei o tensiune stabilizatl intr-unanumit interval, un regulator de tensiune este tot timpul necesar pentru a furniza tensiuneacorespunzdtoare variatelor componente electrice in timpul perioadei de orbitare.

Sistemul electric fotovoltaic este astfel constituit in principal din panouri solare, o bateriereincdrcabild qi un regulator de tensiune ce stabilizeazd fluxul de energie intre componentelevariate cd si controleze tensinea magistralei. Alte componente cum ar fi senzori diferifi suntnecesari pentru a face bateria gi panourile solare sd funclioneze impreuni. Astfel intregulsistemul energetic este coordonat intern qi deasemeni extern prin interfefele cu alte sisteme alevehiculului spafial. Caracteristicile de performanta de nivel inalt ale sistemului fotovoltaic-baterie sunt descriese in acest capitol, lisdnd detaliile legate de componente pentru capitoleleurmitoare.

4.1.1 Panourile solare

Panourile solare sunt formate din numeroase celule fotovoltaice puse in conexiuni serire-paralel pentru a obline tensiunea qi intensitatea dorit[ de la ansamblu. Acestea transformdenergia fotonilor incidenfi in tensiune c.c. ce antreneaz[ curent electric prin circuitul extern deincarcare. Panourile solare funcfioneazd ca o sursi constantl de curent in timpul operdrii.Caracteristica tensiune-intensitate, numitd qi curba I-V este reprezentatd in Figura 4.1. Curba desfdrgit de viafd (EOL) trebuie sd indeplineascl performanfele cerute. Curba caracteristicii seschimb[ semnificafiv cu temperature gi doza de radia]ii ale particulelor incircate aga cum esteprezentat in figuri. Energia fiind produsul dintre tensiune gi intensitate variazd cain figwa 4.2.Puterea furnizati de panouri este maximl la vdrful cubei de tensine. Sistemul produce mai pu{inienergie cdnd opereazd la oricare alti tensiune. Deasemeni furnizarea de energie se degradeazL odatd cu acumularea dozei de radiatie. Astfel panourile solare genereazd mai pufini energie lasfhrqitul vietii decdt la inceputul vielii.

,EOL (when cold)

EOL (after radlallon)

Figura 4.1 Caracteristica tensiune-intensitate a unei celule fotovoltaice

25

4.l.2Bateria

Bateria este formatd din celule electrochimice reincdrcabile conectate in combinatieserie-paralel pentru a obline tensiunea gi intensitatea doritd. Tensinea finald depinde in principalde starea de incircare gi intr-o anumitd misurd de temperaturd de operare. Incdrcarea bateriei semasoari in amperi-ora depozitali intre plicufele positive gi negative. Tensiunea este cea maimare cAnd bateria este complet inclrcatd qi cea mai mici cind este complet descdrcatd. Deoarecebateria funcfioneazi mai mult ca o sursi constanti de tensiune in timpul intervalului de operarenormal[, caracteristicile terminale sunt exprimate in tensiunea bateriei falI de starea deincdrcare. Figura 4.3 descrie tensiunea unei celule incdrcate complet care se descarcd gi este apoireinc[rcatd. Scara de tensiune din figurd reprezintl deasemeni celulele NiCd qi NiFI2. Tensiuneabateriei scade semnificativ cu cre$terea descircirii, qi cregte in timpul incdrcdrii. Tensiuneamedie in timpul incircirii este mai mare decdt in timpul descirclrii.

Figuara 4.2 Caracteristica tensiune-intensitate a unei celule fotovoltaice

4. 1.3 Stabilizarea puterii

Stabilizarea puterii este fbcutd in principal de convertoarele de incbrcare-descircare alebateriei, un gunt dispator gi un controller care rispunde la semnalul de eroare al tensiunii de pemagistrali. $untul disipator este necesar ca si se controleze tensiunea de pe magistrali dupd cumurmeaz6. Panourile solare (sursa) gi incdrcarea constantd de putere au caracteristicile I-V propriicum este descris in figura 4.4. Sistemul poate si funcfioneze la ambele intersecfii A sau B. Totuqipunctul A este natural instabil deoarece panta curbei de inclrcare este mai micl decdt pantacurbei de incdrcare. Spre deosebire punctul B este natural stabil. Fdr[ un control cu qunt,sistemular opera in punctul B, producdnd pufind putere. Cu guntul construit astfel sd stabilizeze tensineaenergiei solare la s[ zicem 35V; sistemul se va retrage din punctul B in punctul C quntdndcurentul in exces la mas6. Astfel curentul de gunt in acest mod de operare ar fi Iqunt, care estediferenfa dintre curentul de la sursa in D qi curentul sarcinii in C.

Cotrollerul de mod seteazd modul de operare al sistemului in functie de semnalul deeroare, care este diferenla dintre tensiunea actuald a magistralei qi tensiunea de referinld carereprezinti tensiunea necesari magistralei. Depinzdnd de valoarea semnalului de eroare gipolaritatea acestuia (pozitiv[ sau negativd), controllerul de mod trimite un semnal de comandifie stabilizatorului de punt, ori regulatorului de incdrcare al bateriei, ori regulatorului dedesc[rcare al bateriei (figura 4.5). Unul dintre aceste trei sub-stabilizatoare la rdndul lor men]intensiunea pe magistrali in limitele specificate. Detalii despre regulile urmdtorului nivel alcontroller-ului de descircare al bateriei sunt reprezentate in figura 4.6.

Interfafa sintemului energetic cu alte sisteme ale navei spa{iale depind de tipul misiunii,gi sunt dificil de descris in modul general. Dar figura 4.7 descrie interfelele esenliale intr-unsatelit de comunicalii.

EOL (after radiation)

26

t .5

1.0

0.5

o

1.0 o.g

Figura 4.3 caracteristica tensiune -stare de incarcare a celulei de baterie

Figura 4.4 Punctul de stabilitate in operare gi controlul cu gunt in timpul iluminiriivb..

ftogrdnntSl€

Batterydbchargeregulabr

EdbrycharlprrgtrNator

SfH.mtregdator

Figura 4.5 conceptul controllerului de mod de rutare a semnalului de eroare

27

s{t

I{Do

T no zso ff:lHil'Af0 0.5 t .o soc

g- - ! ' - ,

From modrcontollrrenorampllfbr

PrcgrammableFrorn datahandlingsystem

Figura 4.6 Semnalul de eroare al controllerului de mod la regulatorul de descircare

4.2 Arhitectura sistemului energetic

Panourile solare, bateria, si caracteristicile de gunt descrise anterior, impreuna cutensiunea de sarcina necesara sunt extrem de importante in selectarea arhitecturii sistemuluienergetic care este cel mai potrivit pentru misiune. Cerintele cerute de misiune sau cerinteleauto-determinate asupra sitemului energetic au impact asupra selectarii arhitecturii. Sistemulfotovotaic-baterie este configurat in una din urmatoarele arhitecturi care va optimizaperformantele sistemului pentru o misiune data.

4.2.1 Transferul direct de energie

Transferul direct de energie (DET), in care energia solara este transferata incarcarii faraalte componente inseriate intre ele. Exceptiile necesare sunt: (l) inele alunecatoare ce vor furnizao incheietura rotativa intre corpul vehicolului spatial orientat dupa Pamant si panourile solareorientate dupa Soare, si (2) unitatea de distributie a energiei ce este constituita din relee deinchidere a incarcarii si sigurante pentru a proteja sintemul energetic de greselile din circuitul deincarcare. DET-ul poate fi subdivizat in doua clase: (1) magistrala complet stabilizata si (2)magistrala stabilizata de lumina solara. Componentele si functionarea acestor doua magistralesunt similare, numai ca ultima nu are convertor de descarcare a bateriei in unitatea de stabilizarea puterii (PRU).

Tes slgnals Grqnd supporteqrlgnentpouvgr

Unfused 2&V power

Telemety

Cornrnands

SAD slgnals17th cellldr*le(lt bypassed)

igrtitbrt

Telaretry

Figura 4.7 Interfa[a electric[ externl au unui sistem energetic tipic

To b$brydbCr$grngulrbr

4ro 'povrolPower Hamegs

28

4.2.2 Detectorul de varf de putere

Detectorul de varf de putere (PPT), in care tensiunea de iesire a panourilor solare estesetata la o valoare ce rezulta din transferul maxim de putere de la panouri la sarcina. O serie deconvertoare de putere intre panouri si sarcina potrivete tensiunea necesara si tensiunea de iesire apanourilor solare. Pentru ca aceasta arhitectura sa fie eficienta din punct de vederea al costurilor,pierderea de putere in convertorul PPT trebuie sa fie mai mica decat castigul obtinut operandsistemul la varf de putere tot timpul.

4.3 Magistrala complet stabilizata

intr-o magistrali complet stabilizata cu transfer direct de energieo cunoscuta si camagistrala stabilizata, tensiunea magistralei este controlata la nivelul catorva procente inperioadei de oribitare. Variatia tipica a tensiunii pe magistrala este intre +2-5%o din tensiuneanominala. Arhitectura acestei magistrale este reprezentata in figura 4.8. Are urmatoarelecomponente.

Ground power umbilical cable

Battery bus ;13#::t?;#I?il"0Figura 4.8 Arhitectura ctransferului de energie complet stabilizate

4.3.1 Panourile solare

Panourile solare(SA) sunt o serie de celule fotovoltaice ce transforma lumina solara inelectricitate. Panourile solare sunt formate din circuite paralele(randuri), fiecare cu diode deizolare astfel ca un rand defect sa nu traca putere de la randurile sanatoase. Capetele fara masaale fiecarei sectiuni sunt izolate fata de magistrala si baterie prin diode. Aceste diode se pot gasiinauntrul PRU-ului pentru protectie sau pe spatele panourilor solare expuse mediului. Intr-unanumit caz sunt implicate inelele alunecatoare, dar nu si in celalat. Descarcarea electrostaticainduce tensiune tranzitiva suprimand condensatoarele de descarcare ce se pot localiza fie inautrusu afara. Terminalul negativ al panourilor solare este deobicei masa. Daca terminalul pozitiv ar fifost masa sistemul ar merge la fel de bine, numai ca trebuie sa folosim semiconductori p-n-p inloc de traditionalii n-p-n in PRU. Constructia convertorului de putere s-ar schiba corespunzator.Un avantaj al masei pozitive este ca structura ar deveni incarcata negativ, si va atrage ioni deoxigent atomic la viteze mici, cauzand coclire mai mica a aluminiului anodizat folosit instructurile sapatiale. Perechea de diode de magistrala d(2), deobicei diode Schotty, previncaderea de tensiune in caz ca incarcatorul bateriei are o problema interna, ce poate sa disparadupa un timp. Aceste diode - numite si diode DET - au fost folosite in multi sateliti militari simeteo (DMSs). Nu sunt absolut necesare si ar reduce eficienta. In absenta sigurantelor electriceadecvate ar trebui folosite pentru a proteja magistrala de caderea incarcatorului de baterie.

29

Powerregulator

unit

PEMS = Power and EnergyManagement Software.d(2) and d(4) = bypassdiodes, double and quad

Curentul necesar pentru a elimina caderea incarcatorului ar veni de la panourile solare indiferentdacad(2) este sau nu prezent.

4.3.2 Actuatorul panourilor solare

Actuatorulpanourilor solare (SAD) este format din inele de alunecare, un motor, si electronicade control a motorului. Acesta orienteaza in mod constant panourile solare catre soare pentru aobtine punterea maxima posibila in timpul perioadei de soare in perioada de orbitare.

4.3.3 $untul disipator

In timpul perioadei de lumina, in particular la inceputul vietii, aceasta componenta disipa energiasuplimentara dupa ce necesarul pentru sarcina si incarcarea bateriei a fost indeplinit.

4.3.4 Bateria

Bateria inmagazineaza energie sub forma electrochimica pentru a alimenta sarcina in timpulperioadelor de eclipsa pentru intreaga misiune. Baterii NiCd au fost folosite mult in sateliti panain mijlocul anilor 80. In constructiile mai noi au fost inlocuite cu NiFIz pentru performanta maibuna si greutate mai mica.

4.3.5 Unitatea de stabilizare a puterii

Unitatea de stabilizare a puterii (PRU) ofera o interfat intre magistrala panourilor solare sibaterie. Tensiunea bateriei variaza mult, de la l.0V cand este complet descarcata pana la 1.55Vcand este complet incarcata. Convertorul de descarcare din PRU mareste tesiunea bateriei latensiunea retelei in timpul eclipsei si convertorul de incarcare baga tensiunea de la panouri intensiunea bateriei in timpul luminarii. In misiunile GEO scorul convertorului de incarcare estemult mai mic decat scorul convertorului de descarcare. [n aceste situatii este benefic sa seconstruiasca separat convertoarele de incarcare si descarcare, asfel constructia separata poate fiacordata cu scorurile si nevoile necesare. Pe de alta parte pentru misiunile LEO un convertorbidirectional ar fi benefic, deoarece scorurile convertoarelor de descarcarcare si incarcare suntcomparabile. Urmatoarele aproximari ar putea ajuta in alegerea variantei de constructie. Unconvertor de descarcare de l-kW ar putea cantari intre 2 si 3kg. Un PRU de l-kW construit saopere intre -25 si 60 grade Celsius cu o siguranta de 0.99975 ar putea cantari 6-7kg incluzandconvertorul de incarcare a bateriei si electronica dedicata pentru suport.

4.3.6 Unitatea de distributie a puterii

Unitatea de distributie a puterii (PDU) asigura ca toate incarcarile, exceptant incarcarile esentialesi critice, sa fie alimentate prin intrerupatoare si sigurante. Sigurantele nu sunt pentru a protejaechipamentul ce mai mult pentru a proteja sistemul energetic de defectiunile din echipament.

4.3.7 Controllerul tensiunii de magistrala

Controllerul tensiunii de magistrala este format din senzorul tensiunii de magistrala, tensiunea dereferinta si amplificatorul semnalului de eroare. Semnalul de eroare amplificat al controlleruluide magistrala intra in controllerul de mod, care la randul sau comanda semnalele necesare pentrua stabiliza tensiunea magistralei in limitele corespunzatoare.

30

4.3.8 Controllerul de mod

Controllerul de mod sichiba automat modul EPS in raspuns la semnalul de eroare dupa cumurrneaza. Selectorul de mod este tipic un releu cu comutator magnetic.

4.3.8.1 Modul de qunt

In timpul luminarii, daca puterea solara depaseste incarcarea si nevoiele incarcarii bateriei,controllerul de mod deschide quntul pentru a disipa energia excesiva, altfel tensiunea retelei vacreste peste limita admisa. In acest mod bateria este incarcata complet, partial sau incare cu ratamica, depinde cum este necesar.

4.3.8.2 Modul taierii de incarcare

Cand bateria se apropie de incarcare completa, rata de incarcare este taiata pentru a controlatemperatura bateriei. Acest mod include si o rata de incarcare mica cand bateria ajunge la 100Yostare de incarcare. Modul de taiere de incarcare este deasemani activat cand panourile solarefumizeaza desfula energie pentru a alimenta incarcarea, dar nu destul curent cat sa incarce sibateria. In acest caz, incarcarea bateriei este taiata pana la nivelul care se va mentine tensiuneape magistrala in limitele admise.

4.3.8.3 Modul de descarcare

In absenta energiei solare in timpul eclipsei, bateria este descarcata pentru a mentine tensiuneade pe amgistrala. Tensiunea bateriei scade o data cu starea de incarcare. Astfel convertorul dedescarcare trebuie sa mareasacaruta de descarcare. PRU face acest lucru automat crescand ratade lucru a convertorului de descarcare o data ce tensiunea bateriei scade.

4.3.8.4 Modul de ocolire PRU

ln caz ca apare o problema in oricare din incarcari, o siguranta trebuie arsa cat se poate derepedeastfel incat sa se minimizeze caderea de tensiune de pe magistrala. Timpul de intarziere in buclade control al PRU si impededanta aditionala introdusa de PRU ar creste semnificativ timpul deardere a sigurantei. Pentru a diminua acest inconvenient, bateria este imediat conectate lamagistrala prin dioda de ocolire d(4), ce da imediat energie sigurantei in cazul unei defectiuni, siblocheaza fluxul de energie la baterie in oricare alte cazuri.

4.3.9 Magistrala bateriei

Magistrala bateriei este in esenta un punct de preluare a energiei direct de la baterie. In timpullansarii si fazei de ascensiune a misiunii, celulele fotovoltaice nu sunt scoase, iar bateria suportatoate nevoile energetice. De exemplu, toate dispozitivele electro-explozive(EEDs) pentrudesfasurare sunt alimentate direct de la magistrala bateriei pentru fiabilitate crescuta siimpedanta scazuta a magistralei( deoarece nu este nimic intre sursa de putere si incarcare).

4.3.10 Programe pentru administrarea puterii si energiei

Desi programele pentru administrarea puterii si energiei (PEM) face parte din sistemul deprograme, acesta este dedicat pentru performanta, monitorizarea sanatatii, controlului siprotectiei EPS-ului. ln caz de necesitate sau in timpul operatiunilor planuite in misiune, PEMS

3 l

I

scoate incarcari intr-o secventa presetate daca si cand satarea de incarcare a bateriei nu poatesuporta toate incarcarile. Datele telemetrice ale bateriei sunt tensiune, intensitate, temperatura,tesiunea unei celule individuale si presiunea interna a unei celule selectate. Cateva din acestedate telemetrice se duc in PEMS.

4.3.11Incarcari

Termenul de incarcari include toate incarcarile, ex. aparatura( transmitatoare, receptoare,instrumente stiintifice, etc.) deasemeni si incarcarile sistemelor de magishala. Majoritateaincarcarilor pe sateliti sunt incarcari de putere constanta. Anumite incarcari ar putea sa aiba ratade lucru mica. Se ia incalcul puterea necesara pentru toate incarcarile in calculul marimiicelulelor fotovoltaice si a bateriei.

4.3.12 Linia de alimentare la sol

Pentru a mentine puterea bateriei in timpul testelor de prelansare si ultimelor verificari inaite delansare, sistemele de la bord folosesc putere de la sol printr-un cordon ombilical. Pentru aconserva bateria cat mai mult, transferul de putere este dus cat mai tarziu in orarul de lansare.

4.4 Controlul Tensiunii Magistralei

In operare normala magistrala stabilizata mentine tensiunea intre limita superioara si inferioara.Schema de control pentru GPS IIR tipul 28-V cu magistrala stabilizata MEO ce are o incarcarede aproximativ 1000W, poate fi setata astfel:

Modul de gunt stabilizeaza tensiunea magishalei folosind un disipator de gunt. In acest modbateriile sunt complet incarcate si puterea panourilor solare este mult peste nevoile navei, astfelcurentul in excess de la panouri este quntat. Acest mod este activat cand tensiunea semnalului dequnt este mai mare de 2.5V c.c. si curentul de incarcare a bateriei nu raspund la tensiunea de$unt.Modul de incarcare a bateriei regleaza tensiunea magistralei utilizand incarcarea bateriei cucircuite liniare de intrerupere. In acest mod, bateriile sunt incarcate si panourile solareindeplinesc nevoia de energiece necesara incarcarii. Daca capacitatea de putere a panourilorsolare este doar putin peste necesar curestul de incarcare a bateriei trebuie limitat. Acest modeste activat cand tensiunea de gunt este intre 1.0 si 2.5V c.c. si curentul de incarcare a baterieiraspunde liniar la tensiunea de gunt si se gaseste intre 0 si 3.6 A.Modul de descarcare stabilizeaza magistrala prin convertorul de descarcare a bateriei. In acestmod curentul de la panourile solare nu este adecvat pentru incarcarile magistrale, astfel bateriilesunt descarcate pentru a fumiza puterea necesara. Capacitate puterii panourilor solare este subcererea incarcarii pe magistrala. Acest mod este activat cand tensiunea de gunt este mai micadecat l.0V c.c.

Referinte si amplificatoare de effoare masoara diferenta dintre magistrala de 28V si tensiunea dereferinta. In functie de magnitudine si de semnul semnalului de eroare sunt trimise comenzi fiedisipatorilor de gunt, fie controllerului de incarcare sau descarcare a bateriei. Aceste moduri suntmutual exclusive si sunt usor identificate monitoizand telemetria tensiunii de qunt. PerformantaPRU este semnificativ diferita pentru fiecare mod, dar variaza putin pentru conditii diferite deintrare in fiecare mod.

In alt exemplu, intr-un EOS-AM stabilizat complet pe magistrala de 120V LEO cu oincarcare de 3000W, iar tensiunea de pe magistrala este stabilizata in +5V pentru a ramane in

32

_-l

intervalul l15 si 125V cum este reprezentat in figura 4.9. Aceasta banda de stabilizare este subdivizata in cinci sub-bande. Controlul tensiunii este implementat utilizand un controller de modcare plaseaza sistemul energetic in urmatoarele moduri de op".a.et

o Modul de descarcare cand tensiunea magistralei scade sub limita specificata (punctul a)o Banda moarda (banda nu face nimic) cand tensiunea este in limita bezii moarte (a si b)o Modul de incarcare cat tensiunea magistralei se ridica peste limita benzii moarte(punctul

b)o Modul de gunt cand bateria este complet incarcata si puterea panourilor solare este peste

necesarul de putere (punctul c)Pentru rafinarea procesului schema de control poate avea doua benzi moarte intre modul

de incarcare si modul de guntare, un care sa puna bateria in rata de incarcare mare, si alta cu ratade incarcare mica, asa cu este descris intre benzil e 122 si l24y din figura 4.9.

Tensiunea magistralei este stabilizata la un punct al magistralei, in general definit inautrulunitatii de stabilizare a tensiunii. Pentru stabilitatia dinamica a buclei dJ control cu feedback,amplificatorul cotrollerului de mod ofera o margine de fazade 45o si o margine de amplitudinede l0 dB. Magistrala este in general construita astfel incat sa renunte la incaicari daca tensiuneascade la 90'95yv si este capabila si alimenteze functiile esentiale ale navei panda la75-80%o dintensiunea nominala a magistralei.

' rr t'4t rzl 12. 1z'3 124 125Bus wftego

Figura 4.9 Tensiuneanea magistralei fafi de modurile de operare intr-o magistrald de 120+5-Vstabilizati

4.5 Circuitul de controlCircuitul de control poate fi analog, digital sau hibrid asa cum este descris mai jos.

4.5.1 Control analog

Controlul analog a fost folosit in navele spatiale de decenii. O bucla de control complet analogpentru stabilizatorul tensiunii magistralei principale da un raspuns dinamic mult mai bun latranzitiile magistralei de putere. Lungimea de banda a buclei dJ control este tinuta sus pentru aoptimiza stabilizarea reducand zgomotul.

4.5.2 Control digitat

Controlul digital este o alternativa la controlul traditional analog. Un stabilizator de gunt digitalfoloseste punturi disipative relativ mici pentru a da magistralei un semnal de control mic. Candquntul analog se apropie de limita va grabi numaratorul ce controle aza intrerupatoarele de gunt

33

Poouve enirgry badncet l

folosite. Desi poate prezenta dificultati respectiv cu dinamica raspunsului la controllerului desistemo ofera flexibilitate sistemului in a croi mai multe misiuni. De exemplu doar schimbandconstanta de amplificare in tabelul de programare se poate ajusta raspunsul sistemului intranzitie. Se pot incorpora un numar diferit de regimuri de incarcare a bateriei, si se poate ajustarata de incarcare in orbita printr-o simpla comanda de la sol. Acest aranjament este adaptabil laun numar variabil de panouri solare in diferite configuratii. Rezultatul este mai multa flexibilitatein folosirea modulelor standard de panouri solare si baterii, ceea ce se traduce in reducreacosturilor.4.5.3 Control hibrid analog-digital

In schema de control hibrid o bucla de control cu banda larga pentru stabilizatorul de tensiune amagistralei principale asigura un raspuns dinamic mai bun la tranzitia magistralei de putere, inacelasi timp tinand EMI-ul jos. Bucla de control digitala este folosita pentru administrareafunctiilor secundare cand o banda ingusta este acceptabila. Un camp programabil de serii de porti(FPGA) poate fi folosit pentru a comanda gunturile magistralei si pentru comanda starilor deincarcare ale bateriei. FPGA-ul ia parametrii sistemului energetic, calculeaza mediile simonitorizeaza schibarile majore astfel incat sa ajusteze qunturile si starile de incarcare alebateriei. Din acest sistem de control hibrid rezulta un raspuns bun de tranzitie a magistralei cuflexibilitate , capacitate de reprogramare, lungime de banda, si simplitate in constructie.

4.6 Magistrala stabilizatafata de soare

Obiectivul constructiei este de a minimiza complexitatea, iar un concept evident este sa sedistribuie putere de la ambele surse - panourile solare si baterie - direct la sarcina. Acest tfansferde energie directa este cunoscut ca magistralo nestabilizata, tensiunea este stabilizata princontrolul gunturilor in timpul iluminarii solare, si nestabilizat in timpul eclipsei. Din acest motivaceasta magistrala este cunoscuta ca magistrala partial stabilizata, sau magistrala stabilizata fatade soare. Arhitectuara tipica a magistralei stabilizatafata de soare este descrisa in figura 4.10.Diferenta dintre magistrala stabilizata fata de soare si magistrala complet stabilizata este in PRU.Magistrala stabilizata fata de soare are stabilizatorul normal de incarcare pentru a stabiliza ratade incarcare a bateriei in timpul iluminarii solare, dar ii lipseste convertorul de descarcare. Inschimb bateria se descarca direct in magistrala in timpul eclipsei prin intermediul diodei 'do, carenu se mai numeste 'dioda de ocolire' ci 'dioda de descarcare a bateriei'. Lasa doar descarcareabateriei, dar blocheaza orice curent de incarcare nedorit, lasand incarcarea in seamaconvertorului de incarcare. Astfel bateria este disconectata de magistrala in timpul iluminariicand controllerul de gunt stabilizeaza tensiunea magistralei. Aceasta arhitectura ar fi benefica insistemele GEO cu mai multe baterii cand durata iluminarii este mare si durata eclipsei mica.

In aceasta arhitectura stabilizarea tesiunii este realizata prin cricuite de control agunturilor. Deoarece bateria este direct conectata la magistrala fara convertorul de descarcare,tensiunea magistrale este aceeasi ca si tensiunea bateriei. Astfel tensiunea magistralei scadeacand bateria se descarca in timpul eclipsei si creste cand se reincarca la iluminare. Variatia detensiune a magistralei este aceeasi ca variatia de tensiune a bateriei. O magistrala de 28-Vvariaza normal intre 22 si 35V intr-o perioada de orbitare. In absenat stabilizatorului cu gunt,tensiunea panourilor solare se va opri la punctul natural stabil de operare B in figura 4.4, care arfi prea mare pentru inceputul vietii si pentru cateva minute dupa eclipsa cand panourile sunt reci.Raportul dintre tensiunea minima si maxima a magistralei fara controlul cu qunt se apropie de 3in anumite cazuri in timpul misiunii, fata de jumatate din atat cu un control cu gunt.

Controllerul de mod comanda incarcatorul de baterie si gunturile cat este nevoie.Programul de adminishare a puterii si energiei mentine echilibrulu energiei. Incarcarile necriticesunt alimentate prin intrerupatoare si sigurante.

34

Omund powrr umblllorl crbh

PEMS = Power and EnergyManagement Sohrare.d(2) and d(4) = bYPaaadiodes, double and quad

Batterycharge

regnrlator

Battery bus iiii&, *ru'e and quadFigura 4.10 Arhitectura transferului direct de energie stabilizat fafd de soare

4.7 Complet stabilizat comparat cu stabilizat fata de soare

Constructia sistemelor de putere trebuie sa dea importanta egala in conditionarea si distribuireaputerii de la panourile solare in timpul iluminarii cat si de la baterie in timpul eclipsei. Aceastapresupune o problema de constructie dificila deaorece ambele surse de putere au caracteristicifundamentale diferite. Panourile solare sunt natural o sursa de curent constanta a carei tensiuneeste limitata de jonctiunea celulei fotovoltaice. Pe de alta pateu bateria este natural o sursaconstanta in tensiune cu rezistenta interna redusa funizand o tensiune stabilizata de aproape l0%o.Are capacitate de curent si putere mare, iar marimea este determinata de necesarul de energie intimpul unei eclipse. Totusi magistrala complet stabilizata isi gaseste locul in aplicatiile cu nevoienergetice de peste 3kW, tipic GEO. Pe de alta parte magistrala stabilizata fata de soare isigaseste locul in aplicatiile cu nevoi energetice de cativa kilowati, tipic LEO.

Magistrala regulata fata de soare este simpla asadar mult mai faibila. Dar, aparaturaconectata la magistrala trebuie construita stfel incat sa opereze in variatii largi de tensiune,aproape 25o/o injurul valorii nominale. Anumite echipamente cum ar fi tuburi amplificatoare deunde purtatoare (TWTAs) ar putea sa accepte astfel de variatii, dar majoritatea celorlalteechipamente cer un stabilizator de tensiune in punctul unde puterea este distribuitaechipamentelor. Magistrala stabilizata dupa soare salveaza costurile si pierderea de energie dinconvertorul de descarcare. Totusi pierderea de energie in convertorul de descarcare a bateriei inmagistrala stabilizata si dioda de ocolire in magistrala stabilizata dupa soare se compenseaza unape alta.

Magistrala complet stabilizata ofera anumite avantaje cu costul complexitatii si fiabilitatiipotential reduse. Impedanta joasa de sistem poate crea variatii de tensiunea din cauza cuplariiincrucisate intre componentele echipamentului. Aceasta ar putea sa creasca interferentaelectromagnetica in particular in modul diviziunea in timp cu acces multiplu (TMDA). Totusiavantajele unei magistrale complet stabilizate sunt urmatoarele:

o Cost si masa redusa a bateriilor deoarece permite mai putine celule de baterie decapacitate inalta

o Cost si masa redusa a panourilor solare deoarece nu exista problema agatarii bateriei,lucru ce implica supra dimensionarea panourilor cum este descris in Capitolul 13. Sesalveaza tipic intre 7 si l0o/o, iar in anumite cazuri panda 15-20%.

o Cabluri de distributie a puterii mai usoare, deoarece magistrala functioneaza la tensiuneconstanta. In contrast magistrala stabilizata dupa soare cere cabluri mai grele pentru atransporta curent de intensitate mare la tensiune redusa la sfarsitul eclipsei

35

o Convertoare de putere cu masa redusa, deoarece sunt alimentate cu tensiune constanta.In magistrala stabilizata dupa soare daca aparc agatarea bateriei la iesirea din eclipsa, curentul depe magistrala poate fi in teorie cu 60%o mai mare decat pe o magistrala complet stabilizata.Totusi din cauza incarcarii termale reduse in timpul eclipsei si disponibilitatea puteriiinmagazinate, agatarea in echinocfiu nu este o motivare de constructie. Solstitiul de vara este operioada mai critica cand magistrala se agata de o baterie complet incarcata, limitandasupradimensionarea panourilor cu 10-15%. Supradimensionarea poate fi redusa mai mult prinreducerea incarcarii pe incalzitori.

Cablurile ce leaga doua componente sunt construite ca sa limiteze caderea de tensiunesub incarcarea maxima de cureant. Caderea de tensiune permisa depinde in principal detensiunea magistralei, si poate fi de la 100 la 500mV intr-o magistrala de 28-V, si I pana la 2Vintr-o magistrala de 120-V. Magistrala stabilizata dupa soare necesita conductori mai grosipentru a limita caderea de tensiune la curent mare in sfarsitul eclipsei. Pentru o capacitate deputere de 5-kW cablurile de distributie a puterii, incluzand scutul metalic si diferiti conectori, arputea sa cantareasca de la 20 pana la 30kg intr-o magistrala stabilizata dupa soare si 15-20kgintr-o magistrala complet stabilizata.

Cotrollerul incarcarii de putere(LPC) furnizeaza o interfata intre magistrala EPS siamplificatorul de radio frecventa (RF) a incarcarilor pe comunicatii. Scorul iesirii al LPC esteinte 50-500W. In general are un prestabilizator si un convertor intrerupator de mod dacamagistrala este stabilizata fata de soare, sau un stabilizator liniar daca magistrala este completstabilizata. Eficienta LPC-ului este intre 90 si 98% depinzand de constructie. Totusi pentrucomparatie intre scorurile de putere eficienta sa este cu 2Yo mai mare pentru o magistralacomplet stabilizata decat pentru o magistrala stabilizata fata de soare, si masa LPC-ului este maimica cu 2 pana la 4glW de iesire.

O magistrala complet stabilizata ofera in generala specificatii directe asupra sistemului deputere, interfata simpla, flexibilitate in operarea pe orbita, suprasarcina autonoma si control laintrare in eclipsa, testare simpla la capatul utilizatorului. La niveluri de putere mai sus decatcativa kilowatti, fumizeaza si eficienta mare, masa redusa si cost total redus la nivelul sitemuluienergetic sau la nivelul satelitului. Pe de alta parte are nevoie de un convertor de descarcare.Acest lucru poate fi scump, deoarece fiecare lucru de echipament are un cost debaza asociat cuconstructia, documentatia, controlul calitatii si testare.

Magistrala complet automata ofera o mare flexibilitate in alegerea celulelor bateriei. Potfi alese celule mai putine de capacitate mare, deoarece tensiunea bateriilor poate fi oricare inlimita de lucru a convertoarelor de incarcare si descarcare. Acest lucru reduce costul bateriilor siamprenta selectand una dintre celulele de capacitate standard amper-ora ce echivaleaza cererileexacte ale magistralei. Pe de alta parte scorul celulei amper-ora necesar intr-o magistralastabilizata dupa soare ar putea sa cada intre doua celule standar, fortand astfel inginerulconstructor sa selecteze celula de capacitate mai mare, costand mai mult in masa si in bani.

Figura 4.I I Arhitectura cu urmarire de vdrf de tensiune pentru o misiune cu variatie mare de fluxluminos qi de temperaturl

?A

4.8 Magistrala cu urmarire de varf de putere

Panourile solare genereaza mai multa pure la o tesiune mare la inceputul vietii si cand sunt recila iesirea din eclipsa. Puterea maxima poate sa fie extrasa daca tensiunea magistralei este variatao data cu anii de lucru si in functie de temperatura. Totusi incarcarii ii trebuie fiimizataputere laaceeasi tensiune, in general mai mica decat tensinea de producere a puterii maxime a panourilorsolare. Un regulator corespurzator intre panourile solare si incarcare, cum este descris in figura4.1l, remediaza discrepanta dintre tensiunea de putere maxima produsa si tensiunea de incarcareconstanta. Tesiunea de intrare a regulatorului inseriat este mentinuta la maximul de putereprodusa cu ajutorul urmaritorului de varf de putere, si tensiunea de iesire este mentinutaconstanta variind rata de lucru dupa cum este necesar. Urmarirea de varf de putere este activatanumai cand bateria trebuie sa fie incarcata sau cand necesarul de sarcina depaseste productiapanourilor solare. Alfel excesul de energie este lasat pe panouri crescand temperatura acestora.Releul bateriei este deschis cand bateria este complet incarcata.

Controllerul electronic al urmaritorului de varf de putere (PPT) simte varfrrl de putere inunul di felurile urmatoare:

o Puterea celulelor solare - produsul dintre tensiune si curent - este in continuu calculata intransmisa urmaritorului de varf de putere. Tesiunea de operare a panourilor fiindschimbata pana cand se gaseste varful.

o Asa cum se vede in Capitolul 8, impedanta statica si dinamica a magistralei sunt egale inmagnitudine la varf de putere. Un val mic este injectat in magistrala panourilor solare siimpedenta dinamica dV/dI si impendanta statica V/I sunt in continuu masurate.Tensiunea magistralei este potrivita astfel incat ambele impedante sa fie egale.

. Raportul dintre Vmp si Voc pentru orice panou solar este aproximativ constant, sa zicemK( tipic intre 0.7 si 0.75). Voc al unei celule de panou solar este mentinut in acelasi mediuin timp ce tensiunea panourilor solare principale este montorizata. Tesiunea de operare apanourilor solare este ajustata la KVoc pentru a extrage puterea maxima.

Bucla interna de control a tensiunii rcgleaza tensiunea de iesirea a panourilor solare la valoareade referinta de la cotrollerul PPT. Schimband aceasta valoare de referinta la intervale regulate,controllerul PPT schimba punctul de operare al panourilor solare. In fiecare interval de timp PPTcalculeaza panta de putere a panourilor solare inmultind tensiunea cu intensitatea. Daca pantaeste pozitiva PPT creste referinta pana cand observa o panta negativa, si vice versa. Astfelpunctul de operare al panourilor solare se afla landa varful de putere unde panta de putere estezero.

Stabilizator de putere SA de inalta performantao Urmarire de varf de putere la<l%o din Pmax

37

o Eficienta in stabilizare>96%oo Pentruputeri> 1500Wo Variatia incarcarii de la 300 la2200W

Controlul sarcinii pentru viata extinsa a baterieio Autonom prin Metoda V/To 16 limitatoare de tensiune comandabile EOC

( Compensate termic si electric)Redundanta explicita

. 4 pentru 3 stabilizatoare de tensiuneo Controlul puterii si incarcariio Piro electronicao Magistrala seriala de date RS 485

Figura 4.l2Unitate de stabilizator de putere cu urmaritor de verf de putere(Sursa: Dornier Satellitensysteme Gmbh, Daimler-Benz Aerospace. Cu permisiune)

Structura PPT este util[ in urmatoarele aplicalii, unde greutatea adilionali, pierderea de energieqi costul adaugarii unui asemenea ansamblu poate fi justificat:

o Mici satelili ce nu posedl suspensii giroscopice pentru fixare, astfel incAt panoul solarnu este intodeauna orientat catre soare

o Satelifi avdnd radiafia solara gi temperatura panoului ce variazd pe o scari mare,indirect variind tensiunea panoului

Pe orbita joasi a Pimdntului, unde acumulatorul trebuie sa fie incircat intr-o perioaddscurti. PPT permite ca maximul de energie sI fie captata pentru mai multe minute dupi fiecareeclipsi cdnd panoul este rece. Arhitectura ftr6 particularitatea PPT, cum ar fi o retea DET, arpierde o cantitate semnificativ6 de energie precum este aritat in Figura 4.13. Dacd sistemul DETa fost frcut si dea energia necesard la o jumltate de iluminatie la EOL, energia pierdutd ar fi CDwatti la EOL iluminafie totall, BD watti la BOL iluminalie total6 qi AD watti la EOL iluminalietotali pe un panou rece. Modelul PPT elimind aceasti pierdere utiliz6nd toatl puterea ce poate figenerati.

0 Voo Voltage

FIGURA 4.13 Puterea pierdut6 in arhitectura cu transfer direct de energie in anumite condilii.

EOL lull cun coid rBOL ful g.in . \EOL fuI

38

Avantajul principal ale determindrii maximului de putere este faptul cd maximizeazdputerea de iegire a panoului solar in fiecare moment gi nu necesiti regulatorul shunt gi regulatorulde inc[rcare a acumulatorului. Pe de alti parte aceasta duce la o eficienf[ slabiti a sistemuluidatorita energiei folosite de convertorul determindrii maximului de putere. Deseori, din cauzd cdaceastd pierdere este disipati induntrul navetei spa{iale, influenteazd negativ sistemul termal.

PPT poate avea trei configurafii: serie, paralel qi serie-paralel cum este atdtat in Figura4.14. Configurafiile serie-paralel aduc un beneficiu mai bun eficien{ei sistemului datorit[ faptuluicd intrarea gi iesirea conversiei de putere, este procesati de un singur convertor pentru toatemodurile operafionale, precum s-a observat in Tabelul 4.1

Un altgoritm PPT a fost dezvoltat gi testat folosind doar informatia dat[ de tensiuneapanoului solar, ddnd controlul determinirii flrd sd foloseascd senzori de curent. Aceasta rezultiintr-o mici variafie de curent, prin urmare o filtrare mai usoar[ a capacitorilor re, prin urmare ofiltrare mai usoard a capacitorilor refelei

(a) Sedee confguralion

lf a*rry

(b) Pareilef configuretbn

+(c) Sedes-pareiel cortrglratbn

FIGURA 4.14 Opfiuni de incdrcare gi descdrcare a acumulatorului in arhitecturadeterminlrii maximului de putere

Tabelul 4.1 Modurile operafionale ale regulatoarelor de descdrcare a acumulatorilor inlel a si lui PPTcon ta a slstemu

Mod Reeulator in serie Incirc[toracumulator

Descdrcdtoracummulator

EclipsePPT descircator(iluminafie parfiall)PPT inclrcator(iluminafie total[)Incircare minimd

offPPT

Reguleazi refeaua

Reguleaz[ reteaua

offoff

PPT

incircare minimd

Retea regulatiRefea regulati

off

off

39

4.9 Negocieri Structurale

Un prim criteriu de alegere intre diferitele tipuri de arhitecturi este greutatea total6,eficienta qi costul sistemului. Tabelul 4.2 insumeazi schimburile intre arhitecturi variate , cu celemai bune aplicafii. Ultima seleclie de arhitecturd depinde de detaliile specifice misiunii. Totugi,experienfe din trecut indica faptul ca arhitectura PPT este in general avantajoasa pentru satelilimici de orbit[ joasl sau iregulari avdnd o necesitate de putere mai micb de 500 W. Pentru valoriintre 1000 qi 3000 W, arhitectura solar-regulati de transfer direct de energie este cel mai probabilavantajoas6. Pentru nivelele de putere ce depaqesc 5000 W arhitectura ce reguleazi transferul deenergie direct este avantajoasd. Deqi magistrala regulati necesitd echipament adilional, greutateaadifionat6 este compensatd prin eliminarea convertoarelor gi regulatoarelor in incdrcdturi.Deseori, decuplarea designului bateriei de la tensiunea panourilor solare gi operand sistemul la otensiune constantI optimizeazd folosirea panourilor solare. Tensiunea bateriei este ales saoptimizeze numarul de baterii in cea mai economic[ capacitate.

Tabelul4.2 Pros si diferitelorcons a olrenteror structun sl aDllcalla lor oDtlSistem Solar-regulate Total-regulate Determinarea

maximului de putereGPT)

Pros Transfer mqre deputere Si eficienld dela panoul solar Sibaterie la tncdrcare

Nr. scazut decomponente desistem

Tensiunea de intrarebine reglatd la toatetncdrcdrile

Mai simplu, mai usorSi cu convertoare detncdrcare maieficiente

Nu necesita regulator cusunt Si regulator detncdrcare baterie

Foloseste maximum deenergie solard incidentd

Cons Convertoare detncdrcare maicomplexe

Posibilitatea delatch-up a bateriei

Necesita mai multeconvertoare de putere

Pierderi de putere inserie tntre baterie Sitncdrcare

Eficienld mai scdzutddecat DET lo EOL tr,multe cazuriMai multd disipare decoldurd tn corpulnavetei spatiale

Cele mai buneaplicalii tnmisiuni cu acestecqracteristici

Mici variatii latncdrcare

Mici varialii lailuminare pentrumajoritateaperioadei de soare

Incdrcarile necesitdreglarifine

Varialii mqri detensiune a/epanourilor solare laiesire

Varialii mari qlepanourilor solare laprimirea de energie(iluminare) pe duratamisiunii.

Arhitectura PPT este mai potrivit6 pentru satelilii LEO avdnd perioade de lumina solararelativ scurte. Deasemenea se foloseste in misiuni cu o mare variatie in fluxul solar, temperaturapanourilor solare, gi unghiul soarelui in satelili ce nu au suspensii giroscopice pentru captarearazelor solare. Face cea mai avantajoasi utilizare a panourilor solare in asemenea misiuni.

Adilional cu arhitectura DEP gi PPT descrise mai sus, unele navete spafiale folosecarhitecturi hibrid, cum ar fi doui relele de putere, una regulated gi cealaltd solar-regulatd.Inclrcarea bateriei de la un panou solar gi nu de la o refea principald reprezintd" o alt[ posibilitate.

l i lma

40

Structura cdtorva reJele de pe navetele spafiale folosite in prezent sunt descrise insecfiunile urmitoare.

4.10 Stafia Spafiali Internafionali cu Refea de la 160 la 120 V

Stafia Spalial6 Internafional5 este cu adevarat cea mai mare gi mai complexi structurispafiall construiti vreodatii cu 16 parteneri internafionali. Ansamblul complet iratat in figura4.15 cantareste 453 de tone gi spafiul total din interior al celor sase laboratoare egaleaza pe celocupat de dou[ avioane Boeing 747.Este mai mare in inilfime decat o cladire de 30 de Jtaje gima.i.lat decdt lungimea unui teren de fotbal. Atitudinea este controlatd cu marji de eroare de l " gistabilizara la o ratd mai mici de 0.1"/s. Este situati pe orbita joasd a Pamantului intre 335-500km, inclinata cu 51,6' cu o perioad[ de 90-min a orbitei gi 35-min eclips6. Experimenteleplanificate pentru laboratoare au ca scop marirea intelegerii omenirii in:

o Planeta Pimint vintalizilnd.T1o/o din suprafala sao Expunerea pe termen lung a oamnilor la micro-gravitateo Producerea de noi medicamente gi materiale

Precum in cazul celorlalte programe spafiale, cum ar ft aterizareaomului pe Lun[, produselesecundare rezultate ln urma tehnologizarii si constructiilor insi

. . r . ; r . i , . _ : . . L . . ; : Y . - : . " , : . , 0 ' " - * l , f r { ; * f f i i sunt beneficiile aduse.- i t t . i l

NASA ilUstEconc€F[urFigura 4.15 Stafia SpafialdIntemafionald (ISS) cu vedere a panourilor solare gi a altor module

^ SistemuldeputereallSS genereaza l05KWfolosindpanourisolarecuoarie de4046m2.In timpul eclipsei incdrcarea se face cu ajutorul a 38 de baterii de tipul 8l- Ah NiH2 care suntbaterii bidirectionale ce se incarcd gi se descarcl cind circuitul este activat sau dezactivat. Aredoud sisteme de alimentare interconectate; cel de l60ll20-V construit de US qi cel de 120/Zg-yconstruit de Rusia pentru a alimenta modulele US, European gi Japonez. Figura 4.16 reprezintd

41

blocul functional al sistemului american (US) incluzdnd convertorul cu interfala Ruseasca dealimentare. Sistemul US este descris mai jos.

Panourile solare se compun din patru module (aripi) pentru un total de 76kW putere inregim nominal gi mai mult in condilii favorabile. Fiecare aripd se compune din dou[ portiuniplate sub{iri linute sub presiune pe fiecare parte de o coloana pliabi5 centralS. intregul ansambluse rotegte cu un unghi p al giroscopului, ceea ce asigurl o axa de rotafie pentru captarearazelorsolare. O a doua ax[ de rotafie ortogonald este dati de unghiul a al giroscopului, unde intregulpanou solar se conecteazd la celelalte portiuni ale stafiei. Sistemele de 76kW (american) gi cel de29kW(rusesc) insumeazd o capacitate totald de l05kW a ansamblului. Fiecare din cele patrumodule e constituit din 82 serii de cate 80 8x8 cm celule PV qi acoperit cu o fibr[ de sticldprotectoare impotriva particulelor incdrcate din spafiu. Celulele PV sunt silicon transparent cu14.5o/o EOL gi eficienfi timp de 15 ani. Circuitul imprimat al modulului este Kapton/cupru/Kapton laminat sudat fiecarei celule pentru a asigura o serie de interconectiri pentru ansamblu.

Fflmrry iEroonfirydndbutloni dhilbutlon

Itrotae voci ti r9.1 kw

12E.r79 V

21.8 kW

+'21.9kW23.9kW

+233kw8

ToRusslanloade (l )

To U.9.hads

(1 ) See fig- 5 for corcqponding corrnc-trcnpcinle ard FGB anfr'rec{ure

+ Sunlit paiod (ctrargirq). 5'4.9 (mininum)

+ Edlpse p€tud (dscha€ing)36.5(madm;m)

- Amedcsn.to R.ndan Converler [.]rit- Batter*lg- Battry Charge/Disdrarga Unil- DC $rritchlrg Unil

Mein Bus Swilching Unl- Rusdanto-American Conw?ter Urdt

Femole Foiler Confollsr Module- Sequentiel Shunt Unit

Figura 4.16 Sta{ia SpafialdIntemafionalb, diagrama canalului de putere

Diode de deviatie paralela sunt folosite la fiecare 8 celule pentru siguranfd in cazul deteriorariiunei celule gi pentru a evita lncalzirea data de curentul in sens invers in timpul de umbriprelungitd. Unita{i Shunt Secvenfiale (SSUs) dispuse pe panoul solar opereazlla o frecventa de20-kJtz

Localizarea soarelui este facut[ de unghiul B al giroscopului pi urmarirea acestuia inorbit[ este facut[ de o derivd c Ai inele de rotire. Pentru intensitafi ale curentului necesar staieispaliale, inelele de rotire asiguri performanfa unui transfer superior de putere fafi de inelele cucontact prin frecare ce pot aluneca, precum este descris mai departe in capitoluil 22.

Tensiunea I panoului solar la iegire este de 160V, ceea ce reprezintl cel mai maretensiune ce poate fi folosit in orbita joasl a Pamantului avand in vedere potenfialul de arc deplasml gi/sau scurgera de curent. Cei 160 V sunt transformafi in 120 V folosind un convertor cc-cc (DDCUs), fiecare estimat la 4.25kW, pentru utilizare inauntrul modulelor. DDCUs fumizeazdcapabilitatea limitarii curentului 150% pi o izolare de 20 dB intre punctele de generare gipunctele de distribu{ie pentru siguranfa personalului.

42

Suprafafa panoului solar gi a tensiunii opera{ionale sunt mai mari decat la oricare altdnavetd spatial[ cu care s-a zburat pdna acum. Agadar, existenfa unui singur punct de masl pe ISSin high plasma in LEO constituie o problem[ de arc. Pentru a predntampina formarea de arc, undispozitiv numit contractor de plasmi localizat in ansamblu qeeazd o darl de gaz xenon ionizat,care se comportd ca o punte conductoare intre stafie gi plasm6. Protejazd panoul gi alte suprafeleconstructive din stafie impotriva arcelor, ciupirilor qi eroziunii.

Bateria este facut[ din 48 de baterii mai mici (battery pack), fiecare cu 38 celule 8l-AhIPV NiH2, intenlionate pentru 5 ani (40000 de cicluri incdrcare/descircare) la o ratd dedescircare de 35o/o (DOD), deqi DOD operafional actual esteaproximativ l5Yo. Cu doui bateriiconectate in serie tensiunea bateriei variaza intre 95 qi l15 V. Inlocuirea bateriilor se face lafiecare 5 ani pentru a asigura limita de putere. Datoriti perioadei de 15 ani de operare a stafiei,inlocuirea bateriilor odata la 5 ani constiuie costuri recurente semnificative. incdrcarea maximaeste de 50A ,care scade la 40,27,10 qi 5 A, ajungand in final la I A rati de incdrcare. Nu suntfolosite diode de deivere in nici o direcfie, dar celulele sunt potrivite apropiat. O celul[ deschisava face sa se piardd un intreg sir de baterii. Temperatura de operare este in jurul a 0 pAna la 10'c.

Protecfia la schimbare qi defecteste obfinuti prin controloare de la distantl solid-state deputere (RPCs) in sase rate de la 3.5 la 65 A in amdndoud designurile cu limitare gi nelimitare decurent. RPCs trec prin diferite stdri de supra-curent, supra- tensiune, gi sub-tensiune pentru aizola greqelile cat mai bine posibil. Controloarele solid-state de putere (SSPCs) asigurdcomutarea gi proteclia. Ele se reseteazd automat la incdrcari critice qi r[mdn active la inclrcarinon-critice. Protecfia la defect coordonat in sens invers la segmentul de 160 V se obline princomutatoare mai mari de retea principalE (MBSUs) contindnd un izolator de refea de la distanf[(RBI). RBl-urile sunt in esenll comutatoare mari capabile sa intrerupd pdnd la 350 A de c.c. inurma unei defecliuni.

Stabilitatea sistemului energeetic reprezint[ deasemenea un motiv serios de ingrijoraredatoritd faptului c[ incircirile de pe stafie se schimbd constant pe masurd ce noi experimentestiinfifice sunt aduse la bord. Ca rczultat, impedaninclrcdrile de pe stafie se schimb[ constant pemasurd ce noi experimente stiinfifice sunt aduse la bord. Ca rezultat, impedanfa la ieqire aDDCUs qi caracteristicile de intrare a incircarilor au fost facute sa asigure stabilitatea cu fiecarecombinatie a incircarilor agteptate. Criteriul de stabilitate in cazul diverselor combinalii deincircare sunt prezentate in Capitolul 14.

O ierarhie redundantl de calculatoare legate prin refeaua MIL-STD-1553 contoleazisistemul energetic al ISS. Calculatoarele controleazd autonom multe functii precum determinareapoziliei soarelui, inclrcarea acumulatorilor, qi controlul termal. Balansul Fluxului de putere intresegmente majore ale staliei este coordonat de catre comanda on-board qi sistemele de control,care deasemenea dau interfa{a de control intre segmente.

Planuri viitoare de dezvoltare a tehnologiei de pe ISS care tin de sistemul energeticinclud: (l) ?nlocuirea celulelor solare de silicon cu panouri GaAs pentru a mari eficienlaconversiei, (2) folosirea ciclului de descircare rapidi a acumulatorilor NiH2, qi (3) folosirea gistocarea energiei volante pentru a mari energia specific[ semnificativ.

4.11 Refelele mari a sateli{ilor de comunicare

in perspectiva reducerii costurilor gi a timpului de livrare, toti marii producatori au dezvoltatrefele standard, care pot satisface cereri variate de putere fard a face prea multe schimbari.Refeaua standard, ins[, are un grad de flexibilitate care ii permite si se adapteze dacd gi cdnd estenevoie sI satisfac[ specificaliile unui client. Cdteva astfel de re{ele standard disponibile inprezent pentru satelilii de comunicare sunt descrise pe scurt mai jos.

43

4.ll.l Re{eaua 100-V

O relea DET standard regulatd total operdnd la l00V c.c este oferitd de catre Boeing SatelliteSystems av0nd numele de catalog BSS-702TM. Structura sistemului energetic este ardtata inFigura 4.17. Refeaua BSS-702 este o retea cu dubli tensiune, primar av6nd 100 V c.c. pentruechipament de putere mare qi secundar de 30V c.c pentru componentele de putere mic[.Foloseste un acumulator NiH2 gi celule solare de silicon cu tripli joncfiune. Un sistem electriccu propulsie ionici pebazd de xenon este folosit pentru intrelinerea N-S a stafiei gi este alimentatde la reteaua 100-V.

Dupd fiecare descbrcare a acumulatorului, funclia de bazd a oricdrui sistem de incircareeste sa aduca acumulatorul la cel mai mare SOC posibil cu o cantitate minimd de supraincircare.in releaua BSS-702, aceasta este obfinutd prin eiecutarea urmatoarelor funclii de monitorizareabunastarii qi mentenanlei:

f l - - - . . .

F 100 v primary bue6€Cmda.y bus

Figura 4.17 Structura relelei 100-V regulatd totalmonitorizarea gi procesarea inregistririi senzorilor de tensiune ai acumulatorului, aicurentului, ai temperaturii qi aipresiunii.controlul temperaturii pentru a preveni supraincdrciri neglijente.controlul in mod autonom al ratei de inc[rcare schimbdnd intre ratele de inclrcareridicat, mediu qi scazut asa cum este nevoie in diferite sezoane.Reglarea polarizlrii acumulatorului pentru a compensa degradarea tensiunii incelulele NiCd gi cresterea de presiune in celulele NiH2.Detectarea qi raportarea condiliilor de SOC scizut

Fiecare acumulator este construit din mai multe parti care s[ distribuie masa qi caldurdasa cum este nevoie pentru a echilibra planul general al navetei spatiale. Fiecare parte areincalzitoare excesiv,circuit reconditionator de senzori de bunastare gi celule cu diode de devialiein cazul defectarii celulelor. Senzorii monitorizeazi tensiunea celulelor, presiunea, temperatura,devialiile gi recondilionarea stlrii telemetriei circuitului.Celulele de Nih2 au 5.5 inch diametru qisunt dispuse vertical cu electrozii pe dou[ parti separate.

Panoul solar urmare$te soarele pe o singurb axi, asadar ca varia{iile sezonale ingenerarea de energie pot fi mai mari de l|Yo pe an. Design-ul original al panourilor solare a fostde tip concentrator cu reflectoare solare canelate delaungul celor doui parti ale aripii cu

a

a

PPOU 1 PPDU 2

44

substraturi PV(foto-voltaice) de GaInP2/GaAs/Ge. Dupa ce s-a suspectat probleme datorateinclrcaturii prea mari, suprafelele au fost inlocuite cu un panou clasic plat.

Incdrcarea este fie cu protecfie la fuzionare fie frrd sau schimbatd de un comutator sau untranzistor, depinzind de magnitudinea curentului qi de natura incdrclrii.

4.11.2 Refeaua 70-V

O relea DET standard regulati total oper0nd la 70V este oferitl de Lockheed Martin SpaceSystems cu numele de catalog A2100TM. Din cei 16 sateli{i comerciali contractafi in 2002 gi inprima jumatate a lui 2003, cinci au optat pentru ,{2100. Este disponibil la o putere de 15kW, darpoate fi reglat sa ajungd pdna la 20kW folosind celule PV GaAs cu multi joncfiuni. Structurasistemului energetic este descrisi in Figura 4.18. Suprafaqa ce capteazd soarele este constituitddin panouri cu Si, GaAs say celule PV cu multi joncfiuni, asa cum este necesar pentru atingereanivelului de putere cerut. Fibra de sticli ce acoperd celulele PV este inveliti cu oxid de indiu qistaniol (ITO) meniti sa elimine formarea de arce datorate descSrcirii electrostatice (ESD).Substratul in forma de fagure este invelit cu un compozit din epoxid de grafit care castig[ masiin fala celui de aluminiu. Bratele gi bucla de cuplaj sunt facute din aluminiu sau grafit. Un sistemde acfionare a suprafefei solare(SAD) pe fiecare aripa a panoului solar cu motor cu bobinajexcesiv asigurl o margine ridicati a cuplului in cazul in care o migcare brusci este necesard.Inelele cu curele pentru putere gi semnal sunt in secfiuni separate.

Bateriile sunt facute din celule de NiH2 asamblate in doi acumulatori pentru energianecesara incdrcarii.Convertoarele de putere ale acumulatorilor in PRU pot fi direcfionale (rezistigi maregte separat), sau bidirecfionale dac[ este avantajos. Convertoarele incdrcdtoarelor au ratemultiple de incdrcare. Acumulatoarele au zone multiple de control al caldurii pentru a menfinetemperatura doriti cu exces de senzori de temperaturi gi presiune. Pentru protecfia celulelordeschise, un comutator care se activeazd termal este de preferat folosirii unei diode de devialiedeoarece aceasta da rezultatul unei mici pierderi de putere. Recondifionarea este consideratdinutili pentru acumulatorii NiH2. Totuqi, dac[ specificaliile o cer, rezistenfe sunt conectate de-alungul intregii baterii, sau de-a lungul unei secliuni a bateriei sau peste fiecare celuld. in primaopfiune care este cea mai eficace din punct de vedere al masei, dou[ rezistoare paralelesuntprima dat[ comandate de-a lungul bateriei. in vreme ce tensiunea bateriei ajunge la 1.0 pe celulS,rata de descdrcare este micgoratd prin decuplarea unuia dintre rezistoare pentru a evita inversareatensiunii in celule. Rata de inc[rcare este de-asemenea opriti in cazul atingerii unui maxim deputere in relea put de o descrestere a tensiunii.

i.PFU * Powet Flagulation Unit' BPC - Bktlrecrbnal PorysrconveftorSPO - thqla tulnt Gound

: HEP - Mdn Enable Plttg.,FBA - Fueo Box A€somblY, SAS - Solar AnayShunt' FCU - Powor Contfol L*l]l

Figura 4.18 Structura refelei 70-V total regulatl

45

Bateria opereazd nominal intre -5 pi 0 "C in timpul perioadei de inclrcare. Totugitemperatura sa creste la aproximatv 20 "C la sffirgitul celei mai lungi eclipse. Gradientii permigide la celula-la-celula qi baterie-la-baterie sunt de 5 pana la 10 'C. Localizdnd bateria in afaracorpului navetei spafiale poate fi un avantaj prin faptul ca se menfine temperatura intre 0 gi 5 'C

in timpul peroadei de inclrcare. MEP reprezinti modulul de activare a prizei bateriei.Dispozitivul electro-exploziv (EEDs) pentru punerea in actiune este alimentat direct de la baterieconectdndu-se la cea de-a22-a celuld gi este protejat de cartuge siguranfd activate de EED.

Ansamblul relelei energetice principale asiguri distributia incircirii, a senzorilor decurent, a senzorilor de tensiune gi a filtrului retelei. Sala cu cutii de siguranfd asigura protecfie pide-asemenea intrerupatoare pentru a controla incircarea refelei atunci cdnd este nevoie. Supra-tensiunea gi sub-tensiunea tranzitorii urm6nd unei perioade mari de inc6rcare, cum ar fi formareaunui arc jet (>4 kW total), sunt analizate individual pentru a asigura contracararea varia{ieicurentului in refea.

In refeaua 42100, echilibrul de energie este gestionat prin controlarea a doui bateriiindependent in urmatorii pasi:

o Folosind telemetria de curent, se determina inclrcarea gi descdrcarea totalE acurentului bateriei

o Determinarea tensiunii qi presiunii celuleio Estimareaprogresuluiincirc6riio Controlul ratei de inc[rcare a baterieio Daci temperatura bateriei depaqeste o limita stabilitdm se reduce rata incarlriio A pierde din inclrcare daca descircarea bateriei scade sub un anumit nivelo Asigurarea inc[rcirii in paralel sau secvential a bateriiloro Prevenirea deconectarii tuturor convertoarelor de putere a acumulatorului.o Furnizarea controlului total de la sol

Protecfia retelei la sub-tensiune sub o anumiti limitl este asigurati comanddnd giinchizdnd convertorul de putere al incirciturii. inclrcarea la umbr6 poate fi activati doar printr-ocomandd de la sol.

Un shunt este conectat peste fiecare circuit solar. Comutatorul guntului va fi ori inchis orideschis. Comutatatorul de deschidere qunteazi puterea la sol, in timp ce comutatorul de inchiderealimenteazi refeaua. Regularizarea doriti a re{elei cu o bunl solufionare este menlinuti prinfolosirea unui gunt activ. O astfel de configurafie minimizeazl de-asemenea variafia tensiunii inretea.

4.11.3 Re{ele sub 50-V

Refelele standard de 42.5-Y total regulati qi de 28la 42.5-Y solar regulati aparfindnd deBritish Aerospace au fost folosite pe multi mici satelili. Producatorii U, pe de alta parte, oferhrefele de 28-V total regulati qi de 22la 35-V solar regulati pentru satelilii mici ce necesiti oputere de inc6rcare de sub cdfiva kW. O asemenea relea ofertati de Daimler-Benz Aerospaceeste inftfiqatl in figura 4.19.

f

46

SA porer =1.1to2.Olttrt/€ 30to42V

I

:Ilbere€ co.f,rHrbScrialdah h.e

2 x I EED's

Fover disblill*m(3O0 b 22OU/V O t4TE23if'

$bandoorw.H o a d t & 8D&Cpr lm.&rcd .

Muliile poww rclurrr18TC€ heEtcrs

s\

SAS pounrUnltaSAAtrI Sole"rArrsywhg tSI/WA SolarAnuyWing 2SADA SolarArryDriroA,seinHyEAf N|ctel F{frognn EetEryFCU Forver Condltlor{ng Unit

SCEn+ptt

On.gmund conditiontngFICUnE 4'19 Sun-regutated low voltage bur architecturp. (sourccr Dornier SatellitensysEme Gmbtu Dajrnler-Benz Aencspace, With pe6irsiur.)

4.12 Refele pentru sateli{i mici

Urmatoarele caracteristici ale sistemului energetic sunt tipice pentru stelifii mici:

o Un panou solar ce converteqte o intinsl suprafatd de flux solar gi temperaturl cu omare amplitudine in caracteristiceile I-V

o Structura determinatorului maximului de putere qi inexistenfa suspensiilorgiroscopice de urmarire solarI

o Panouri solare montate direct pe corp ori trei sau patru panouri plate cu substrat dealuminiu de l-2 mm cu izolalie qi fibra de sticli optimizatS. Sau, panouri solareflexibile cu substrat de tip "imbrlclminte" c0ntErind aproximativ 5o/o din suprafafarigid[.

o O baterie, daca este permis, altfel dou6; NiCd sau NiH2; amandoul sd aibd o istoricde increderea in ceea ce priveste zborul.

La inceput micii satelifi erau stabilizafi prin rotire, avdnd structura de forma unei tobe piacoperitd cu celule PV pe toatl suprafala. O asemenea configurafie folosea celulele ineficace;datoritl faptului c[ folosea mai pufin de o treime din celulele PV pentru generarea de putere laorice moment. Navetele spafiale de astizi defin control al atitudinii pe trei axe cu celule solareinstalate pe panouri plate orientate normal la soare.

PPT este cel mai potrivit pentru a fi o structuri comund pentru un numar de mici satelilipentru o varietate de misiuni. Design-ul poate fi modular gu adaptabil frri refacerea modelului,astfel av0nd un pref mai mic. Unitatea de control a puterii maximizeazd energia trimisl refeleiprin faptul cd face ca panourile solare si funcfioneze la maximul de putere pe o scard mare detemperaturd, inclinafie solari gi intensitate luminoasd. Sistemul de urm[rire, aditional laflexibilitatea sa, nu disipeazi energie asociat cu regularea guntului inauntrul navetei spafiale.Ajusteazi ideal funcfionarea panoului solar dupi necesitate, astfel l6s0nd excesul de putere pesuprafafa panoului.

Un PPT care a zburat cu succes a avut schila in asa fel incdt a putut fi modificat usorpentru a acomoda alte misiuni.

Panoul solar urmareste in continuu soarele folosind o derivi a suprafe{ei solare. CelulelePV pot fi ori de 8 mil sau 2 mil cu silicon sau 5.5 mil cu GaAs.Acumulatorul NiH2 foloseste 22de celule. Maximul DOD al acumulatorului pentru LEO a fost nominal de 30o/o gi 35% cu oceluld defectat[. Pentru GEO, a fost nominal de 70%o gi 75% cu o celul[ care s-a defectat. Rafiade incircare/descircare a fost menfinutE la 1.05 pentru LEO qi 1.2 pentru GEO.

Determinantul de putere maximl a primit telemetrie de la bucla de control ainclrcatorului acumulatorului, care a variat modulafia semnalului de control ce operadeterminantul in fiecare PRU.

PRU a func{ionat ca o interfafd intre panoul solar qi refea, meniti sd trimiti toati putereagenerati de suprafafa solari la refeaua navetei spafiale. Con{inea un determinant de maxim deputere incluzdnd un regulator raspunzdtor cu controlul amplitudinii pulsa{iei de modulafie(PWM) gi controlul tensiune-temperaturl (V-T) necesar al acumulatorului. Dupa ce a primittelemetria acumulatorului g s-a comparat cu curba de inclrcare V-T, PRU a vaiat ru[iaintrebuinflrii convertorului raspunz[tor. Aceasta schimbd punctul de operare a panoului solarastfel reducdnd puterea la refea. Toate funcfiile de regulare de putere au fost monitorizate gicontrolate de cltre PRU, incluzdnd controlul de inc[rcare al acumulatorului. Pru separate au fostfolosite pentru fiecare aripd daca mai mult de o aripi cu panouri solare se aflau in condifii deoperare diferite gi au fost necesare pentru cdtiva satelili in linia de producfie standard. Aceastaasigur[ c5 modelul EPS a rams modular ca si acomodeze toate scenariile de misiuni posibile cumici sau fErE modificlri ale modelului.

48

4.13 Refele de micro-satelifi

Satelili foarte mici cu necesitatea puterii de inc[rcare in W pot folosi o structur[ simpld gi ugoariprecum se observi in figura 4.20. Suprafafa solarl, acumulatorul gi incdrcarea sunt conectatepermanent in paralel. Bateria alimenteazl inc[rcarea automat in timpul unei eclipse^gi seredncarci in timpul perioadei de lumin[ solard impundnd tensiunea consumati refelei. Indatiinc[rcatd la maxim, tensiunea bateriei este relativd constant[ qi bateria funclioneazb ca unamortizor. Orice exces de curent e absorbit de rezistenla ghuntului conectat in paralel cu bateriaprin intermediul unui intrerupitor.

Figura 4.20 Sistem energetic simplu pentru un micro-satelit

Dou[ structuri simple pentru satelili care necesiti putere doar in timpul perioadei delumini solari sunt descrise in figura 4.21 (a) $i (b). Regulatorul qunt pentru tensiune face casursa de energie sd se comporte ca o sursi de curent. Pe de alta parte, regulatoarele inseriate facca sursa sa se comporte ca o sursa de tensiune. Dezavantajul inserierii este ci fbr[ regulatorulgunt tensiunea de iegire a suprafefei solare intr-un satelit GEO tipc va depagi 150% din tensiuneasa EOL. Pentru cdteva minute dupl iegirea din eclips6, panoul solar racit poate produce aproape300o/o din tensiunea nominali a retelei.

(b) Sedes rcguhtor

Figura 4.21 Sistem energetic pentru un micro-satelili cu regulator punt gi regulator serie

ffi+dI=

Bus ftltot

;

III

(a) Shuril rEgulator

49

Tensiunile mici (7-15 V) au fost considerate pentru satelili cu inc[rcare in timp de W.Totugi, asemenea tensiuni mici sunt probabil s[ sfhrgeascd sa aibi un cost ridicat datoritinecesitifii de componente diferite de clasa de standard de 28-V. De exempluo naveta spafialiST5 proiectatd de NASA GSFC pentru a inclrca cd{iva watts a folosit o baterie cu o refea dejoas[ tensiune descrisd in Figura 4.22. Pentru a minimiza numarul de componente pentru uncoeficient de siguranpentru un coeficient de siguranfd ridicat gi o masi scizuti a folositd osuprafafi solard montati pe corp cu celule tripld-joncfiune, un acumulator litiu-ion gi oelectronici de putere simpl6. Electronica care tradilional ofere-a regularea suprafelei solare gicontrolul inclrclrii acumulatorului sunt eliminate. Diode de pierderi mici sunt folosite in serie cuo suprafafl solard pentru a izola defectul.Tensiunea re{elei e aceeaqi cu tensiunea acumulatoruluiqi poate varia de 1a2,7-4 V pe celul6. Design-ul poate fi modular astfel ca pentru o putere maimare a microsatelitului doui modele pot fi conectate in serie precum este aritat in figurI.

Figura 4.22 Sistem energetic pentru un micro-satelit fir[ regulator

Lorv b€s isobtim clode

50