LUSEX SOLAR - LUSEX

Amsat Argentina
LUSEX
LU Satellite EXperiment
LUSEX – Satélite cubesat de Amsat Argentina – Celdas Solares y Paneles Desplegables
Lusex - Celdas solares y paneles des-plegables.
Ing. Ricardo Lemvigh Müller - Amsat Argentina
[email protected]
Una órbita terrestre baja (OTB ó LEO, por Low Earth
Orbit, en inglés) es una órbita alrededor de la tierra
entre la atmósfera y el cinturón de radiación de Van
Allen, con un ángulo bajo de inclinación.
Los módulos fotovoltaicos o colectores
solares fotovoltaicos llamados también paneles
solares, están formados por un conjunto de
celdas (células fotovoltaicas) que producen
electricidad a partir de la luz que incide sobre
ellos.
Estos límites no están rígidamente definidos, pero
están típicamente entre 200km - 1200 km sobre la
superficie de la Tierra.
El parámetro estandarizado para clasificar su
potencia se denomina potencia pico en vatios
(Wp), y se corresponde con la potencia máxima
que el módulo puede entregar bajo unas
condiciones estandarizadas, que son:
•
•
Esto es generalmente menos que la órbita circular
intermedia y lejos de la órbita geoestacionaria.
Las órbitas más bajas que ésta, no son estables y
decaen rápidamente debido al rozamiento con la
atmósfera. Las órbitas más altas están sujetas a
averías electrónicas rápidamente debido a la radiación
intensa y a la acumulación de carga eléctrica.
- radiación de 1000 W/m2
- temperatura interna de célula de 25ºC
(no temperatura ambiente).
Pero estas condiciones no son las que se aplican
en el espacio. La radiación constante es de aprox.
1.125W/m2, y la temperatura interna de célula
puede superar ampliamente los 80ºC.
Las órbitas de ángulo de inclinación más alto se
llaman órbitas polares.
Los objetos en la órbita terrestre baja se encuentran
con gases en la termosfera (aproximadamente 80km500 km hacia arriba) o exosfera (aproximadamente
desde 500 km hacia arriba), dependiendo de la altura
de la órbita. Los gases que atraviesa el satélite en su
lanzamiento pueden ocasionar que parte de los
paneles solares puedan sufrir alguna anomalía en su
comportamiento posterior.
En el espacio las temperaturas son extremas y
además no existe la luz difusa que pueda ayudar
a la producción eléctrica al no haber atmósfera.
Factores como la fuerte radiación UV que
deteriora los materiales, las altas temperaturas
que bajan considerablemente el rendimiento de
las células fotovoltaicas y los tipos de baterías
que deben ser recargadas con la menor cantidad
de veces que sea posible para que su duración
sea mayor y así aumentar la vida del satélite,
demandan una cuidadosa selección de materiales
que se han utilizado en la fabricación de las
células fotovoltaicas.
La mayoría de los satélites como el LUSEX están
puestos en órbita terrestre baja, donde viajan a
alrededor de 27.400 km/h (8 km/s), dando una vuelta
a la tierra cada 90-110 minutos.
El ambiente de la órbita terrestre baja se está
congestionando y la probabilidad de choques entre
satélites es cada vez más alta, además ya existe una
gran cantidad de basura espacial, satélites que han
dejado de funcionar y lo han hecho principalmente por
problemas de suministro de energía. Por tal motivo es
imperante que el sistema de paneles solares y las
baterías sean adecuadas para este uso.
La efectividad de las células fotovoltaicas
cristalinas es mayor cuanto mayores son los
cristales, pero también su peso, grosor y costo. El
rendimiento puede alcanzar el 20%.
Una célula fotovoltaica cristalina de 100cm2
produce aproximadamente 1,5Wp (3 amperios @
0,5voltios), células más pequeñas producen
menos.
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de captación y así la seguridad de suministro.
Aunque la gravedad en órbita terrestre baja no es
mucho menos que en la superficie de la tierra (se
reduce un 1 % cada 30 km), la gente y los objetos
en órbita experimentan ingravidez.
Estos paneles ó células fotovoltaicas se ubican
plegados en la cara inferior (-Z) y en la cara
superior (+Z), permaneciendo plegados durante
el lanzamiento.
La resistencia atmosférica y la gravedad
asociadas al lanzamiento añaden típicamente de
1.500 a 2.000 m/s a la delta-v necesaria para
alcanzar la velocidad de la órbita terrestre baja de
7.800 m/s. Se deberá prever en la estructura de
los paneles solares.
Luego de 30 minutos de la suelta del LUSEX,
estos paneles sujetos a través de un sistema con
cuerdas de nylon a la estructura, serán soltados
cortando por fusión las cuerdas que los
mantenían.
El LUSEX por ser un satélite de tamaño
mínimo (10cm de lado) que viaja a unos
27.000 km/hora dispondría de poca
superficie para el montaje de celdas solares
solo en su periferia, con la consecuencia de
una baja capacidad de recolección de
energía solar.
Allí los paneles plegados en forma de acordeón,
ya libres comenzaran a extenderse, favorecido
su desplegado por la rotación que se imprimirá
al lusex para facilitar su extensión. Los paneles
previstos constaran de 4 alas, cada una con
max. 9 celdas de aprox. 4cm x 8cm, conectadas
en serie/paralelo
Por lo que se decidió la utilización de células
des-plegables, que aumenten la superficie
Los paneles solares conformaran también con la adaptación requerida las antenas del
LUSEX, para ello se adaptaran los largos e impedancias separando las celdas para RF
a través de circuitos trampa resonantes. UHF estará en plano –Z y VHF en plano +Z
ortogonales entre si.
Cada ala generara aproximadamente 4.5 volts a 1.5 Amp cuando estén ortogonalmente
al sol. Dos de estas alas estarán en la cara +Z y dos en la cara -Z.
Las celdas estarán adheridas a films especiales que favorezcan la disipación de
exceso de temperatura y protejan a las celdas de la radiación ultravioleta.
Estos films son los que Dupont ha desarrollado para el telescopio espacial Spitzer, con
quienes estamos en contacto.
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Los cálculos preliminares de consumos se especifican en la siguiente tabla:
Módulo
Cantidad Consumo Utilización Utilización Consumo Consumo medio
en W
horas por día días por
semanal por día en Wh
semana
en Wh
Tx
1
3,0
4
7
84
12,0
Rx
1
0,1
24
7
16,8
2,4
Magnetotorques
1,5
0,2
0,33
7
0,693
0,1
Procesador
1
0,1
24
7
16,8
2,4
Resto electrónica
1
0,2
24
7
33,6
4,8
Total
151,9
21,7
Consumo máx.
simultáneo W:
3,7
La producción necesaria para el consumo especificado de los componentes que
integran el LUSEX, se hacen en función de los siguientes parámetros:
1 órbita Ù 100 minutos = 1,66 horas
1 día Ù 24 horas Ù 1.440 minutos => 14,4 órbitas
Horas nocturnas por día Ù 864 minutos = 14,4 horas
Horas nocturnas por día Ù 576 minutos = 9,6 horas
Consumo medio por día en Wh = 21,7
Voltaje = 3,7V
Cálculo de células solares y baterías necesarias:
Media diaria de horas de pleno sol:
Consumo diario total previsto en WH: ( Watios x 24 HRS)
Tensión en punto de máx. potencia de célula seleccionada en V (de hoja de datos):
Corriente en punto de máx. potencia de célula seleccionada en A (de hoja de datos):
14,0
21,7
0,3
0,5
Resultados de cálculo:
Célula solar fotovoltaica seleccionada, potencia en Wp:
W que necesitamos generar de media por cada hora de pleno sol :
Resultado: cantidad de células necesarias de media :
0,2
1,9
2,6
* Factor multiplicación de seguridad = 13,8 => cantidad idónea de células:
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CÁLCULO DE LA BATERÍA NECESARIA:
Consumo previsto del calculo anterior en WH:
Cantidad de días de almacenamiento logrado (días de autonomía de batería):
Profundidad de descarga max. deseada de las baterías en %
Capacidad de cada batería seleccionada en Amp.
Tensión de batería seleccionada en Voltios
Resultado (cantidad de baterías en paralelo):
4
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21,7
0,2
30
1,1
3,7
4
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* El factor de seguridad contiene variables opcionales como: pérdida de potencia
por altas temperaturas, pérdida de potencia por roturas, envejecimiento prematuro
y especialmente que los paneles puedan suministrar la energía eléctrica necesaria
aunque las baterías ya no acepten más cargas, dando la posibilidad que sea
solamente el super-capacitor de aprox. 100 Farads el que suministra la electricidad
durante los 40 minutos de sombra en cada órbita.
También se trata de aplicar en este “factor” una información importante, que es
justamente el área que tenemos disponible, el peso y el tamaño de las antenas que
hacen que las alas tengan esas longitudes.
mantendrán la carga de flotación de las
baterías para que no se descarguen.
Normalmente el cálculo de baterías se hace
en función de los días de autonomía que
sea necesario, pero en este caso, se tuvo
que hacer el cálculo con 4 baterías preestablecidas y por tal motivo solamente
tenemos 0,2 días de autonomía Ù 288
minutos, equivalente a casi 3 órbitas.
Así se alarga la vida de las baterías de
forma muy considerable. Lamentablemente
casi el 100% de los satélites que han
dejado de funcionar son por problemas de
las baterías y no de las células solares.
Si se requiere aumentar la profundidad de
descarga de las baterías de Li-Íon a por
ejemplo 80%, un caso especial de
necesidad puntual, los días de autonomía
en batería sube a 0,5 días Ù 720 minutos
equivalente a más de 7 órbitas.
Adicionalmente, durante las horas de
sombra se utilizará prioritariamente, y en lo
posible, al super-capacitor e inclusive
algunas funciones se apagarán para reducir
el consumo al mínimo, igualmente si fuera
necesario
se
podrá
suspender
la
transmisión y recepción sobre pasos sobre
el océano.
Las baterías de Li-ion son muy robustas
pero si se estima que toleran max. unos
1000 ciclos completos de carga y descarga,
su vida útil sería de solamente y en el peor
de los casos de 1000/14 = 71 días (14
órbitas = 14 veces por día que se cargan y
descargan)
,
situación
totalmente
inaceptable, por tal motivo se ha
establecido la limitación del % de descarga
en máx. 30%, además el consumo durante
las horas de luz se suministra de los
paneles directamente, estos también
El tema del des-plegado de los paneles es
muy delicado y se están abarajando varias
posibilidades, algunas ya descritas, además
se contempla un sistema de ayuda para el
despliegue similar al del apoyo del
denominado “bastón de aparición de
Fantasio”, materiales que se expanden a su
forma natural sin que sea necesario ejercer
fuerza alguna.
Elaborado para AMSAT por
Ing. Ricardo lemvigh-Müller
Lu4aru
31.03.2009
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