Tiểu luận môn thông tin vệ tinh PHÂN HỆ NGUỒN VỆ TINH

Tiểu luận môn thông tin vệ tinh PHÂN HỆ NGUỒN VỆ TINH o Phần 1: Giới thiệu tổng quan về vị trí, vai trò cũng như sơ đồ khối của hệ thống nguồn trên vệ tinh. o Phần 2: Đi sâu hơn vào chi tiết cấu tạo từng khối trong hệ thống nguồn vệ tinh. Đồng thời dẫn ra một số ví dụ thực tế. o Phần 3: Cung cấp những công thức cũng như ý tưởng cơ bản trong việc thiết kế một bộ nguồn vệ tinh.

Mục lục

Lời nói đầu

Trong thời đại công nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu của con người về thông tin vàtruyền thông ngày càng đa dạng hơn và các đòi hỏi càng khắt khe hơn Trong bối cảnh đó rấtnhiều công nghệ lần lượt ra đời nhằm thỏa mãn ngày càng tốt hơn nhu cầu của cong người Và

vệ tinh với xuất phát điểm phục vụ cho quốc phòng đã ngày càng lấn sân và có vai trò to lớntrong đời sống

Số lượng vệ tinh ngày một nhiều, chất lượng ngày một cao và thời gian con người khaithác những tiện ích do vệ tinh đem lại gần như là 24/7 Tồn tại trong một môi trường đặc biệt,cấu thành bởi những công nghệ hàng đầu lại cần hoạt động bền bỉ, liên tục nhiều năm thángkhiến cho vệ tinh luôn cần một hộ thống nguồn ồn định, chuẩn xác để cung cấp mọi năng lượnggiống như trái tim bơm máu cho toàn bộ hệ thống vệ tinh

Tứ lý do đó nên em đã lựa chọn tìm hiều “Phân hệ nguồn vệ tinh” làm đề tài bài tập lớn

trong khuôn khổ môn học thông tin vệ tinh Kết cấu bài tập gồm 3 phần như sau:

o Phần 1: Giới thiệu tổng quan về vị trí, vai trò cũng như sơ đồ khối của hệ thống nguồntrên vệ tinh

o Phần 2: Đi sâu hơn vào chi tiết cấu tạo từng khối trong hệ thống nguồn vệ tinh Đồng thờidẫn ra một số ví dụ thực tế

o Phần 3: Cung cấp những công thức cũng như ý tưởng cơ bản trong việc thiết kế một bộnguồn vệ tinh

Trong bài báo cáo không tránh khỏi còn gặp nhiều thiếu xot, mong nhận được sự góp ýcủa thầy giúp cá nhân em ngày càng hoàn thiện hơn về kiến thức cũng như kỹ năng trình bày,

kỹ năng báo cáo

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện:

Đỗ Trung ĐứcLớp KSTN – ĐTVT – K54

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống vệ tinh

Hình 1.2: Sơ đồ khối phân hệ nguồn vệ tinh

Hình 2.1: Module pin của SAFT

Hình 2.2: Module pin của ABSL

Hình 2.3: Các công nghệ đóng gói tấm pin mặt trời

Hình 3.1: So sánh DOD của các công nghê pin

Danh mục bảng

Bảng 2.1: Bảng so sánh các công nghệ pin

Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa điện áp hệ thống và số cell pin cần thiết

Bảng 2.3: Các công nghệ chế tạo pin mặt trời

Chương 1:

GIỚI THIỆU PHÂN HỆ NGUỒN VỆ TINH

1.1 Chức năng của phân hệ nguồn vệ tinh

Là phân hệ vô cùng quan trọng trên vệ tinh cũng như bất kỳ thiết bị điện tử nào khác.Nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ các thiết bị trên vệ tinh, đảm bảo đủ công suất, hoạtđộng bền bỉ, chính xác

Khi thiết kế phân hệ nguồn cần quan tâm tối ưu các vấn đề về chi phí, hiệu năng và khốilượng

Khác với hệ thống nguồn thông thường, phân hệ nguồn vệ tinh cần đảm bảo các chứcnăng riêng biệt như:

• Có thể hoạt động độc lập bằng nguồn năng lượng tái tạo hoặc năng lượng hạtnhân (thường sử dụng năng lượng mặt trời)

• Đảm bào tuổi thọ từ 5 năm đến 15 năm (hoặc hơn) tùy yêu cầu của vệ tinh

• Khối lượng nhẹ

• Hoạt động được trên vũ trụ

1.2 Phân hệ nguồn trong toàn bộ hệ thống vệ tinh

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống vệ tinh

Ngoài các phân hệ thực hiện chức năng chính của vệ tinh là truyền thông, để đảm bảo vệtinh hoạt động còn cần đến các phân hệ khác như phân hệ nguồn, nhiệt, bám, xoay, Phân hệnguồn đảm bảo cung cấp đầy đủ năng lượng cho các phân hệ còn lại

1.3 Sơ đồ khối phân hệ nguồn vệ tinh

Hình 1.2: Sơ đồ khối phân hệ nguồn vệ tinh

• Energy Conversion: Khối chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng

• Primary Energy Source: Nguồn năng lượng chính

• Power Regulation and Control: Khối quản lý năng lượng và điều khiển

• Energy Storage: Khối lưu trữ năng lượng (pin)

• Distribution and Protection: Khối phân phối năng lượng và các mạch bảo vệ

1.4 Một số ví dụ về nguồn vệ tinh

VD1: Vệ tinh Vinasat-1

• Quỹ đạo địa tĩnh

• Tuổi thọ thiết kế: 15 năm

• Power: 3276W (bao gồm cả TT&C)

VD2: Vệ tinh Vinasat-2

• Quỹ đạo địa tĩnh

• Tuổi thọ thiết kế: 15 năm

Chương 2:

CÁC THÀNH PHẦN CẤU TẠO PHÂN HỆ NGUỒN VỆ TINH

Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ giới thiệu chi tiết về các khối trong hệ thống nguồn vệ tinh nhưđược trình bày ở phần trước Chương này cho ta cái nhìn chi tiết hơn về cấu tạo, hoạt động cũngnhư các công nghệ được áp dụng trên các khối Trong chương còn đưa ra các ví dụ thực tế về cácthiết bị thực được sử dụng trên thị trường

2.1 Pin

2.1.1 Vai trò của pin trong phân hệ nguồn

Pin là thành phần quan trọng hàng đầu trong hệ thống nguồn vệ tinh Pin đóng vai trò lưutrữ năng lượng khi vệ tinh trong vùng tối của quỹ đạo, hỗ trợ nguồn chính (nguồn trực tiếp từmặt trời) khi trong vùng sáng mà cần năng lượng lớn hơn

2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của pin

Pin trên vệ tinh cần đáp ứng được chu kỳ sạc và xả nhiều lần, hoạt động trong nhiều năm.Tùy từng quý đạo mà yêu cầu khác nhau Thường quỹ đạo tầm thấp sẽ yêu cầu số lần sạc/xả mỗinăm là nhiều hơn (do đó quỹ đạo tầm thấp thường tuổi thọ thấp hơn) Tuổi thọ của pin cũngchính là tuổi thọ thiết kế của hệ thống nguồn

Khi thiết kế hệ thống pin cần đảm bảo đáp ứng được tuổi thọ theo yêu cầu của thiết kế.Ngoài ra cần tối ưu về khối lượng, hiệu suất và giá thành của bộ pin trong quá trình thiết kế

Các yêu cầu kỹ thuật của pin bao gồm:

2.1.3 Các công nghệ pin

Battery

Technology

Cell nominal Voltage (V)

Cell average dischanger Voltage

(V)

Cell-specific Energy (Wh/kg)

Cel-specific Power (W/kg)

Cost (k$/Ah)

Operating temperature (*C)

Bảng 2.1: Bảng so sánh các công nghệ pin

Công nghệ pin được sử dụng phổ biến nhất là công nghệ dựa trên Ni, bao gồm Ni-Cd và

Ni-H2 Ưu điểm của pin dựa trên công nghệ này là thời gian sống lâu và giá thành rẻ Chính vì

thế nên pin Ni trước đây được sử dụng rất phổ biến, đặc biệt là trên các quỹ đạo tầm thấp (do quỹ

đạo tầm thấp cần pin phải chịu được sự sạc/xả liên tục) Pin Ni-H2 thường được chọn cho cả quỹ

đạo địa tĩnh khi thiết kế vệ tinh có thời gian sống dài

Những năm gần đây công nghệ chuyển dần sang sử dụng pin Li Do ưu điểm hiệu suất

cao, khối lượng nhẹ đã dần chiếm ưu thế và được sử dụng rộng rãi hơn cho nhiều loại quỹ đạo

khác nhau Tuy nhiên công nghệ này vẫn tồn tại một số nhược điểm về giá thành cũng như thời

gian sống của hệ thống

Những năm gần đây các hãng đang nghiên cứu 1 công nghệ khác cũng dựa trên nền tảng

Li, đó là công nghệ Polymer Công nghệ này có nhiều điểm còn vượt trội hơn công nghệ

Li-ion về hiệu năng, khối lượng, độ sâu xả, hứa hẹn sẽ là chủ của công nghệ tưng lai Tuy nhiên

do rào cản kỹ thuật cũng như giá thành mà hiện nay công nghệ này vẫn chưa được áp dụng trong

hệ thống vệ tinh

2.1.4 Ví dụ một số module pin cho vệ tinh

VD1: Pin của SAFT

Hình 2.1: Module pin của SAFT

• Loại cell pin: SAFT VES180

• Công nghệ sử dụng: Li-ion

• Khối lượng mỗi cell: 1,1 kg

• Cân bằng tải tích hợp

• Dung lượng trên mỗi cell khi bắt đầu chu kỳ sống (BOL): 171 Wh

• Cách cấu hình pin: 4 cell song song, 8 cell nối tiếp

• Tổng dung lượng (BOL): 5472 Wh

• Năng lượng không xả được (capacity fading) (BOL): 9,3%

• Năng lượng thực tế (BOL): 4963 Wh

• Tuổi thọ thiết kế: 15 năm

• Khối lượng: 53 kg

• Thường dùng cho quỹ đạo GEO

Hình 2.2: Module pin của ABSL

VD2: Module pin của ABSL

• Loại cell pin: Sony 18650

• Công nghệ sử dụng: Li-ion

• Khối lượng mỗi cell: 42 g

• Không tích hợp cân bằng tải

• Dung lượng mỗi cell (BOL): 5,4 Wh

• Cấu hình pin: 108 cell song song, 10 cell nối tiếp

• Tổng dung lượng (BOL): 5832 Wh

• Dung lượng không xả được (BOL): 29%

• Dung lượng thực (BOL): 4141 Wh

• Tuổi thọ thiết kế: 7 năm

(V) Ni-Cd Ni-H2 Li-ion

Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa điện áp hệ thống và số cell pin cần thiết

Điện áp hệ thống thường được lựa chọn tùy thuộc yêu cầu thiết kế của vệ tinh và loạicông nghệ pin được sử dụng Phổ biến là 3 mức điện áp 28V, 50V và 100V

Số cell pin mắc nối tiếp được cho trong bảng, Trong nhiều trường hợp thường sẽ thiết kế

dư ra 1 cell để dự phòng

2.3 Pin mặt trời

2.3.1 Vai trò của pin mặt trời

Pin mặt trời là đầu vào của toàn bộ năng lượng trên vệ tinh Các tế bào này cần đảm bảo

có hiệu suất cao, chịu đựng được các điều kiện ngoài không gian cũng như duy trì được thời gianhoạt động hiệu quả trong 1 thòi gian dài

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn công nghệ sử dụng trong pin mặt trời như:

• Thiết kế của vệ tinh

• Mức năng lượng cần thiết (đỉnh và trung bình)

Bảng 2.3: Các công nghệ chế tạo pin mặt trời

Chú thích: BOL: Begin of Life

Có nhiều công nghệ được sử dụng để chế tạo pin mặt trời Phổ biến và lâu đời nhất phải

kể đến công nghệ Si Hiện nay tuy hiệu suất không cao, khối lượng nặng nên ít được sử dụnghơn các công nghệ tiên tiến tuy nhiên ưu thế về giá thành vẫn khiến công nghệ này được lựachọn khi chi phí được đặt lên hàng đầu (với các vệ tinh giá rẻ)

Những năm gần đây xu hướng chuyển sang sử dụng công nghệ high-efficiency Si do ưuđiểm về khói lượng nhẹ, hiệu suất cao và chi phí không quá đắt Tuy nhiên với những tiến bộ củacông nghệ những năm gần đây, các công nghệ pin mặt trời dựa trên nền tảng multi-junction cũngđược sử dụng rộng rãi Các công nghệ mới này đem lại hiệu suất cao hơn tuy nhiên giá thành lạihết sức đắt đỏ Do đó nhiều hàng hiện nay chuyển sang giải pháp lai khi kết hợp cả 2 công nghệ

là công nghệ high-efficiency Si và công nghệ mới dựa trên multi-junction nhằm tối ưu các vấn

đề về giá cả, khối lượng và hiệu suất

• Sử dụng 1 tấm cánh đón năng lượng mặt trời: Phương pháp hiệu quả hơn do diệntích sử dụng lớn, tuy nhiên lại phức tạp trong thiết kế do phải có mudule mở cánh

ra sau khi vệ tinh vào quỹ đạo Chia làm 2 loại nhỏ hơn

o Cánh cố định: Đơn giản hơn và hiệu suất cũng nhỏ hơn do không phải lúcnào cánh cũng quay thẳng về phía mặt trời.

o Cánh quay hướng về phía mặt trời: Hiệu suất cao hơn, tuy nhiên phức tạp

và chi phí đắt đỏ hơn

Hình 2.3a: Các công nghệ đóng gói tấm pin mặt trời: Body-mounted

2.3.4 Ví dụ về pin mặt trời

• Hãng: Entech Inc

• Năm sản xuất: 2005

• Công nghệ pin mặt trời: multi-junction

• Công nghệ đóng gói: Cánh xoay hướng về phía mặt trời

• Năng lượng cung cấp được trên mỗi cánh (BOL): 7kW

• Mật độ năng lượng (BOL): 300W/kg

2.4 Khối phân phối năng lượng

Làm nhiệm vụ phân phối năng lượng đến các khối cần thiết trong vệ tinh, bảo vệ an toàncho các khối cũng như an toàn cho bộ nguồn

Tùy thuộc vào thiết kế, chức năng của từng vệ tinh mà có yêu cầu riêng biệt, thường rất

đa dạng Tuy nhiên vẫn thường xuất hiện các khối sau:

• Bộ đổi điện áp

• Mạch quản lý dòng

• Mạch bảo vệ: Quá áp, quá dòng,

2.5 Khối quản lý năng lượng

Trong quá trình hoạt động của vệ tinh, không phải lúc nào cũng cần cung cấp năng lượngtối đa, điều kiện hoạt động cũng hết sức khác biệt Do đó để đảm bảo hoạt động cũng như tăngtuổi thọ của hệ thống nhất thiết phải có khối điều phối và quản lý năng lượng

Thông thường khối quản lý năng lượng được thiết kế theo các mode Mỗi mode đặc trưngcho 1 chế độ làm việc và được sử dụng trong những điều kiện cụ thể Tỳ mỗi vệ tinh mà các chế

độ này là rất khác biệt, tuy nhiên vẫn có những mode chính thường tồn tại:

• Normal mode: Chế độ thông thường Được sử dụng khi vệ tinh đang ở trong vùngsáng, pin đã được sạc đầy và năng lượng trực tiếp từ mặt tròi đủ cho vệ tinh hoạtđộng Trong chế độ này toàn bộ vệ tinh sẽ sử dụng năng lượng trực tiếp từ mặttrời Lưu ý trong chế độ này luôn phải có mạch bảo vệ vì năng lượng trực tiếp củamặt trời có thể tăng đột ngột làm hỏng hệ thống

• Shunt mode: Kích hoạt khi năng lượng mặt trời nhận được vượt quá nhu cầu nănglượng và nhu cầu sạc pin Có thể là dòng cần sử dụng trong hệ thống cộng vớidòng sạc nhỏ hơn dòng cung cấp bởi mặt trời, hoặc đang ở normal mode nhưngdòng lại tăng cao (hay nhu cầu năng lượng giảm) Ở chế độ này hệ thống sẽ nhóm

1 số tế bào năng lượng lại gọi là chuỗi và thực hiện nối tắt các chuỗi này nhằmgiảm dòng điện đầu vào, tránh làm hỏng hệ thống và tăng tuổi thọ của thiết bị

• Chế độ sạc: Sạc lại pin khi trong vùng sáng để đảm bảo đủ năng lượng hoạt độngtrước khi chuyển sang vùng tối hay sẵn sàng xả hỗ trợ cho nguồn chính khi nhucầu tăng cao Muốn tăng tuổi thọ pin cần lựa chọn dòng sạc hợp lý Tùy thuộccông nghệ pin mà có những cách sạc khác nhau Tuy nhiên phổ biến là 2 giaiđoạn sau:

o Khi V<Vbatmax: Điện áp sạc tăng dần

o Khi đạt Vbatmax: Giữ nguyên điện áp sạc, dòng sạc theo công thức:

• Chế độ xả: Thưởng dùng khi vệ tinh đi vào vùng tối Khi đó toàn bộ năng lượngcủa vệ tinh đều do pin cung cấp Khi thiết kế cần chú ý, vì khác với vùng sáng,trong vùng tối không có nguồn năng lượng thứ 2 (như mặt trời và pin khi trongvùng sáng) nên nếu dòng xả của pin không đủ sẽ không có cách nào bổ sung Vìvậy nên tránh những hoạt động tiêu tốn năng lượng có thể tránh vào thời điểm này(ví dụ như các hoạt động bám hay quay vệ tinh nên để lúc đi qua vùng sáng).Trên thực tế còn nhiều hơn nữa các chế độ của khối quản lý nguồn và nhiều trường hợpcác chế độ này cũng hoạt động nhiều khi đồng thời với nhau Ví dụ như có thể kết hợp normalmode với changer mode

Để chuyên đổi giữa các chế độ này với nhau cần có các cảm biến thu thập thông tin Baogồm các loại cảm biến cường độ ánh sáng, nhiệt độ, dòng điện và điện áp tại các vị trí thích hợp.Các thông tin đó sẽ đưa về On-board Computer để phân tích và đưa ra quyết định thay đổi cácmode Việc đáp ứng thay đổi các mode được thực hiện bằng mạch điện hoặc cơ học tùy từngtrường hợp cụ thể

Kết luận chương

Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu sâu hơn về cấu tạo cũng như chức năng của các

bộ phận cấu thành hệ thống nguồn trên vệ tinh, đồng thời có cái nhìn cụ thể hơn qua một vài ví

dụ cụ thể, Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu hơn vào một số công thức thường được sử dụng khi tính toàn, thiết kế một bộ nguồn vệ tinh cụ thể

Chương 3:

MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN NGUỒN VỆ TINH

Giới thiệu chương

Chương này trình bày cụ thể hơn 1 số công thức thường được sử dụng khi thiết kế một bộnguồn trên vệ tinh Trong thực tế việc thiết kế này là rất phức tạp với nhiều tham số, tuy nhiêntrong khuôn khổ bài tập lớn này chỉ trình bày những điểm cơ bản trong việc tính toán nguồn vệtinh

3.1 Tính toán tấm pin mặt trời

3.1.1 Các tham số cần thiết

• Quỹ đạo vệ tinh

• Kiểu đóng gói

• Điện áp hệ thống

• Loại pin mặt trời

• Các đặc điểm khác của vệ tinh

3.1.2 Các công thức

• Thời gian trong vùng bóng tối:

Tp là chu kỳ của quỹ đạo vệ tinh

Re là bán kính trái đất

h là chiều cao vệ tinh

• Năng lượng cần thiết của hệ thống vệ tinh (lý thuyết):

Td là thời gian trong vùng sáng của vệ tinh

Pavg là năng lượng tiêu thụ trung bình của vệ tinh

Xd: Hiệu suất xả trong vùng sáng Bằng thương của năng lượng tối đa xả được chia cho năng lượng tối đa nạp vào Thường bằng 0.85

Xe: Hiệu suất xả trong vùng tối Khác nhau tùy thuộc công nghệ:

o Ni-Cd: 0.85

o Ni-H2: 0.80

o Li-ion: 0.90

• Năng lượng thực sự cần thiết của hệ thống pin mặt trời:

• Floss là tham số đặc trưng cho sự suy giảm hiệu quả làm việc của pin trong cả chu kỳ sống:

Trong đó:

o T0 là nhiệt độ của tấm pin mặt trờiTCoeff tùy thuộc vào công nghệ pin cũng như cách đóng gói pin mặt trời

o PCoeff xác định bởi loại quỹ đạo, nhiệm vụ của vệ tinh và số năng tồn tại

o Id là suy hao do thiết kế, lắp đặt, không tối ưu tuyệt đối, thường trong khoảng 0.49 – 0.88

o Θ: Góc hợp bởi tia sáng mặt trời và phương pháp tuyến của tấm pin mặt trời

o Ld: Suy giảm hiệu suất theo từng năm Thường lấy 3,75%/năm cho Si và GaAs và2.5% cho công nghệ multi-junction

o N: là thời gian sống

Ngoài ra để tính Floss thường lấy dư thêm 5% dự phòng

Với công nghệ Si, Floss vào khoảng 3% và khoảng 5% với multi-junction (áp dụng trên quỹ đạo địa tinh, thòi gian sống 15 năm)

• Số lượng cell pin mặt trời cần thiết:

NS: Số lượng cell nối tiếp