Sistema de Alimentación


Introducción

Mi nombre es Pedro M. Vallejo y estudiante de último curso en la Universidad de Granada. El sistema de alimentación de GranaSAT es mi Trabajo de fin de grado y esta página será el medio para publicar mis progresos. Andrés Roldán Aranda es mi tutor del TFG y el director del proyecto GranaSAT.

Este artículo describe el Sistema de Alimentación del satélite GranaSAT. Muestra como el sistema está siendo diseñado para recolectar la energía a través de los paneles solares, almacenarla en las baterías y distribuirla en las cargas útiles.

Hay que conocer las difíciles condiciones de la misión para entender los requisitos de este sistema. El satélite tendrá algunas complicadas y cambiantes condiciones, tales como una continua descarga y carga de las baterías, un rango de temperaturas de -40 ºC a 80 ºC, vibraciones y choques durante el lanzamiento y condiciones de vacío. Todo ello en un espacio de 100x100x100 mm.

Los principales objetivos de este sistema son:

  • Proveer energía al resto del satélite.
  • Almacenar energía.
  • Acondicionamiento y distribución de la energía.
  • Medida de voltajes, corrientes y temperaturas de diferentes puntos del sistema

En la siguiente imagen se puede observar una situación global de este sistema dentro del satélite:

Estructura

Paneles Solares

Los CubeSATs tienen un área limitada en sus paredes ya que es compartida con otras partes, como antenas, sensores, cámaras y diferentes puertos. Normalmente los paneles de los CubeSATs consisten en dos células solares conectadas en serie sin redundancia en caso de fallo. Las pérdidas de energía en alguno de los paneles puede causar graves problemas debido al exigente consumo del satélite.

En la siguiente imagen se comparan tres tipos de paneles solares:

Una célula fotovoltaica multiunión es una célula solar con múltiples uniones p-n de diferentes materiales semiconductores. Cada unión p-n de cada material, produce corriente eléctrica en respuesta a una diferente longitud de onda de la luz lo que permite mayor absorción de energía y un aumento en la eficiencia”  (Wikipedia)

MPPT (Maximum power point tracking)

La potencia desprendida por un panel solar depende de la temperatura, la radiación y la corriente saliente del panel. El MPPT es usado para obtener la máxima potencia de los paneles.

Este sistema tiene dos partes: un controlador y un actuador. El actuador es un convertidor DC/DC que cambia su dutty-cycle para obtener la corriente necesaria de los paneles. El dutty-cycle es cambiado por un Microcontrolador que recolecta la información de los sensores de corriente, voltaje y temperatura que monitorizan los paneles.

 Microcontrolador

 

Esta parte del sistema es crítica. Su objetivo es el de medir corrientes y voltajes de ciertos puntos del sistema, comunicarse con la CPU, recolectar información y controlar los convertidores DC/DC.

Los siguientes requisitos para el controlador deben de tenerse en cuenta para un correcto funcionamiento:

  • Bus I2C.
  • Conversores AD para leer la información de los sensores.
  • Soportar un rango de temperatura entre -40 ºC to 80 ºC.
  • Debe poder iniciarse un bajo nivel de voltaje (solo con los paneles).
  • Controladores PWM para controlar los dutty-cycle de los convertidores.

Convertidor DC/DC

Este circuito es conectado el microcontrolador. El conmutador del convertidor es controlado por el microcontrolador para mantener el MPPT. Además, su salida es conectada a las baterías.

Baterías

Si estás construyendo un pequeño satélite, tienes que considerar también el tema del almacenamiento de la energía. Cuando el satélite está en contacto con la luz solar, el sistema usa esa energía. Sin embargo, durante el periodo de eclipse, la nave usa la energía previamente almacenada. En el siguiente diagrama se puede ver una comparación de diferentes tipos de baterías usadas en misiones espaciales.

Protección over-current

Este sistema detendrá el flujo de corriente si una carga absorbe más corriente de la necesaria. Minimizaremos los daños y las pérdidas de energía de esta forma. La implementación del sistema será un sistema de sensores de corriente monitorizados por el mocrocontrolador.

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