Способ ориентации солнечной батареи исз

Изобретение относится к области космической энергетики и может быть использовано на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) с солнечными батареями (СБ). Способ включает совмещение нормали к освещенной рабочей поверхности панелей СБ с плоскостью, образуемой осью вращения панелей и направлением на Солнце. Угол между направлением на Солнце и указанной нормалью устанавливают и поддерживают таким, чтобы значение мощности СБ (измеренное как произведение ее тока на напряжение) соответствовало суточному потреблению нагрузки ИСЗ. Этим углом обеспечивают также поддержание на требуемом уровне напряжения СБ в точке ее вольтамперной характеристики, соответствующей максимальной выходной мощности СБ (при данном угле установки СБ). В случае снижения указанного напряжения СБ при точной ориентации СБ на Солнце отворачивают СБ от направления на Солнце на угол, при котором указанное напряжение СБ остается на требуемом уровне. Техническим результатом изобретения является упрощение аппаратуры систем электропитания ИСЗ и улучшение его массогабаритных характеристик. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области космической энергетики и может быть использовано на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) с солнечными батареями (БС), снабженными приводом вращения для ориентации на Солнце.

На абсолютном большинстве ИСЗ, запускаемых на высокие орбиты, используются солнечные батареи, выполненные в виде панелей, снабженные приводами вращения для обеспечения ориентации на Солнце. Так, например, на геостационарных ИСЗ применяется схема ориентации панелей БС, ставшая уже «классической», а именно: ИСЗ ориентируется одной из своих осей, совпадающей с осью вращения панелей БС, по бинормали к орбите (т.е. по нормали к плоскости экватора). Поскольку ИСЗ в течение суток делает один оборот вокруг этой оси, для сохранения направления рабочей поверхности панелей на Солнце обеспечивают противоположное вращение панелей относительно ИСЗ с той же скоростью. При точной выдержке скорости вращения панелей 1 об/сутки, к чему стремятся разработчики системы ориентации ИСЗ, обеспечивается максимально точное направление нормали к рабочей поверхности панелей на Солнце, при этом в периоды осеннего и весеннего равноденствий отклонение нормали равно 0 град, а в периоды летнего и зимнего солнцестояний ±23,5 град. Вращение панелей обеспечивается специальным приводом. В качестве примеров - аналогов можно привести ИСЗ США серии Intelsat, западноевропейский ИСЗ Arabsat - II, российские «Ямал», «Экспресс» и т.п.

Известен способ ориентации БС космического аппарата (КА) на произвольной орбите (не геостационарной) по патенту 6293502 США (МПК⁷В64G 1/24 Hughes Electronics Corp., Fowell Richard A. №09/368202; заявл. 04.08.99; опубл 25.09.2001, НПК 244/164, англ.), в котором реализуется точная ориентация панелей на Солнце в течение всего срока службы КА при ориентации одной из осей КА на центр Земли и вращении крыльев БС относительно двух ортогональных осей.

Рассмотренные способы ориентации БС решают основную задачу, стоящую перед бортовой системой электропитания, в которую входит солнечная батарея: обеспечить максимальный съем мощности с панелей БС, в том числе и в расчетный период времени, а это, как правило, конец срока службы в сочетании с максимальной нагрузкой на систему электропитания и при наличии теневого участка максимальной длительности.

В то же время известно, что мощность солнечных батарей не стабильна во времени и изменяется в течение срока службы от многих факторов, таких как воздействие радиационных поясов Земли, солнечных вспышек, микрометеоритов, повышение рабочей температуры фотопреобразователей (ФП) из-за изменения их оптических характеристик и т.п. Поэтому при проектировании солнечных батарей предусматривают ресурсный запас мощности (и, соответственно, площади), который в зависимости от типа орбиты, срока службы и типа используемых ФП может достигать 30-50%. Практически на всех ИСЗ, входящих в состав радиотехнических комплексов, например связи, навигации, целевая аппаратура рассчитана на фиксированное в течение суток энергопотребление, будь это начало или конец срока службы ИСЗ. Однако фактическая нагрузка также отличается от максимальной расчетной в меньшую сторону из-за невостребованности части стволов связного ретранслятора в текущий период времени. О недозагруженности связных КА сообщается, например, в «РКТ» №50 (2246) от 13.122002 г. («США-ЕВРОПА. О незагруженности крупногабаритных спутников связи»).

А это означает, что при существующих способах ориентации панелей солнечных батарей с них в течение всего срока службы, за исключением единственного периода времени, который может сформироваться при сочетании наихудших условий в конце срока службы, в ИСЗ поступает избыточная мощность от БС. Она должна быть каким-то образом утилизирована: или электронным регулированием мощности БС, или отключением части секций БС, или подключением дополнительных балластных нагрузок и т.п.

Во всех случаях это требует усложнения аппаратуры систем электропитания, увеличения массы и связано с решением дополнительных тепловых проблем ИСЗ.

Известно также, что солнечные панели вследствие их значительной площади и воздействия светового давления являются основным источником внешних возмущений, искажающих орбиту спутника (см. Орбиты спутников связи. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Москва, «Связь», 1978 - разд.5.2, стр.151, 159). Для парирования возмущений и поддержания параметров орбиты с требуемой точностью необходимы затраты рабочего тела для корректирующих двигательных установок.

При существующих способах ориентации БС возмущения от светового давления максимальны, т.к. площадь освещенного миделя КА (т.е. площадь проекции спутника на плоскость, нормальную к солнечным лучам) всегда максимальна.

Известен способ управления положением солнечных батарей космического аппарата по патенту RU 224240801, в котором обеспечивается точная ориентация панелей БС на Солнце и предусматривается их отворот на максимально возможный угол, при котором сохраняется положительный баланс мощности БС над потреблением нагрузки на время опасного воздействия радиационных потоков на ФП (прототип). Недостатки способа те же, что и указаны выше, т.к. отворот панелей производится только на время воздействия аномально больших потоков заряженных частиц, которое составляет ничтожно малую часть срока активного существования ИСЗ. Кроме того, принятие решения об отвороте и возврате панелей в исходное положение связано со сложными процедурами определения характеристик потока заряженных частиц, что требует установки на ИСЗ специальной аппаратуры и дополнительных ресурсов для его управления.

Предлагаемый способ ориентации БС является адаптивным к условиям эксплуатации ИСЗ и предусматривает поддержание такой ориентации панелей на Солнце, при которой в текущий период времени обеспечиваются, с одной стороны, необходимые электрические характеристики солнечной батареи (ток, мощность, напряжение), т.е. выполняется целевая функция БС, с другой - сводятся к минимуму недостатки, связанные с избытком мощности батареи и максимальным освещенным миделем, вызывающим максимальное интегральное возмущение орбиты ИСЗ. Из условия поддержания необходимых электрических параметров солнечной батареи в заданный промежуток времени устанавливают определенный угол рассогласования между нормалью к рабочей поверхности панелей БС и направлением на Солнце. При этом автоматически достигается и цель, поставленная в прототипе.

Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано изменение температуры и напряжения БС, а на фиг.2 - изменение оптимальной мощности и освещенного миделя (в относительных единицах) от угла ϕ (град) между нормалью к поверхности БС и направлением на Солнце для текущего момента времени активного существования КА, где:

U_ОПТ - выходное напряжение БС в оптимальной рабочей точке ее вольт-амперной характеристики (ВАХ), т.е. в точке, где обеспечивается максимальное значение мощности БС;

F_М - площадь освещенного миделя панелей БС;

Р _{БС ОПТ} - выходная мощность панелей БС в оптимальной рабочей точке ВАХ;

Т _БС - температура БС, °С.

При построении графиков использованы известные зависимости параметров панели БС от температуры и точности ориентации:

I=I₀×[1+dI/dT(T_БС-T₀]×cosϕ;

U=U₀×[1+dU/dT(T_БС-T₀];

P _{БС ОПТ}=I _{БС ОПТ}×U _{БС ОПТ}:

F_М=F_М0×cosϕ,

где: I₀, U₀, T₀ - исходные значения тока, напряжения и температуры БС, определенные, например, для условий точной ориентации панелей на Солнце;

F_М0 - площадь освещенного миделя панелей БС при точной ориентации;

T_БС - текущее значение температуры БС при ее отклонении на угол ϕ;

P _{БС ОПТ} - мощность БС в оптимальной рабочей точке вольт-амперной характеристики БС (т.е. при значениях тока и напряжения, когда мощность имеет максимальное значение);

dI/dT, dU/dT - температурные коэффициенты для тока и напряжения.

(Характер изменения тока и напряжения БС от температуры приведен, например, в работе А.М.Васильева и А.П.Ландсмана. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. Радио, 1971, раздел 22).

Используя данные графиков на фиг.1, 2, в качестве примера рассмотрим две ситуации, когда получаем эффект от отворота нормали к поверхности БС от направления на Солнце (угол ϕ).

Ситуация 1. Напряжение на выходе БС (U_{БС ОПТ}) недостаточно для эффективного съема мощности солнечной батареи, например, для заряда аккумуляторных батарей. Это возможно в случае нерасчетного снижения напряжения, например, из-за аномально больших солнечных вспышек или повышения температуры фотопреобразователей в результате нерасчетного изменения оптических характеристик панелей БС или в результате случайных отказов. Такая ситуация наиболее вероятна при функционировании ИСЗ за пределами расчетного срока службы КА после израсходования проектного запаса по напряжению.

Для повышения величины оптимального напряжения БС до требуемого значения U _{БС ТРЕБ} производят отклонение панелей на угол ϕ₁, при котором температура БС снижается, в данном случае примерно до 0°С (см. фиг.1). При этом мощность БС будет равна значению Р_БС1, соответствующему величине оптимальной мощности БС при отклонении панелей на угол ϕ₁ (см. фиг.2), что, возможно, потребует коррекции уровня потребления нагрузки. При этом значение площади освещенного миделя БС соответствует величине F_М1. Для рассмотренной ситуации основной эффект от отклонения панелей БС от точной ориентации заключается в возможности продолжения эксплуатации КА в условиях нерасчетного снижения напряжения БС.

Ситуация 2. Необходимая для обеспечения нагрузки текущая мощность БС соответствует величине Р_{БС ТРЕБ}. Значение Р_{БС ТРЕБ} определяется из уравнения энергобаланса системы электропитания, зависит от конкретного ее исполнения, КПД узлов силовой электроники, наличия теневого участка на витке и упрощенно может быть записано в виде соотношения:

Р_{БС ТР}=К×Р_Н,

где К - комплексный коэффициент, учитывающий перечисленные факторы, он всегда больше единицы;

Р_Н - текущая мощность нагрузки.

Так, например, для геостационарного связного КА при нахождении его на орбите с максимальным теневым участком значение К составляет около 1,2, а при отсутствии теневого участка 1,05-1,1.

Величина Р_{БС ТРЕБ} меньше фактической мощности БС в текущий период времени (Р_{БС ОПТ}=1, ϕ=0). Эта ситуация наиболее вероятна, т.к. большую часть времени активного существования КА имеется неизрасходованный ресурсный запас мощности БС и, кроме того, уровень текущего потребления нагрузки меньше максимального расчетного значения. Значение Р_{БС ТРЕБ} соответствует величине угла ϕ₂ и значению площади освещенного миделя панелей БС, равному F_М2 (см. фиг.2).

Эффект от отклонения панелей на угол ϕ заключается в снижении площади освещенного миделя панелей БС F_М на величину (1-F_М2), причем интегральное за срок активного существования значение этой величины определяет экономию топлива, потребляемого корректирующей двигательной установкой для парирования возмущений орбиты, вызванных световым давлением на панели БС.

Преимуществом предлагаемого изобретения является также то, что его реализация не требует установки дополнительного оборудования, а осуществляется имеющимися на КА программными средствами управления приводом вращения солнечных панелей. Предложенный способ предполагается к внедрению на разрабатываемых КА.

Способ ориентации солнечной батареи ИСЗ, выполненной в виде панелей и снабженной приводом вращения для ориентации на Солнце, включающий совмещение нормали к освещенной рабочей поверхности указанных панелей с плоскостью, образуемой осью вращения панелей и направлением на Солнце, отличающийся тем, что угол между направлением на Солнце и указанной нормалью устанавливают и поддерживают таким, чтобы значение мощности солнечной батареи, измеренное как произведение ее тока на напряжение, было равно расчетному значению мощности, при которой обеспечивается суточное потребление нагрузки, а при снижении напряжения солнечной батареи в точке ее вольтамперной характеристики, соответствующей максимальной выходной мощности при точной ориентации батареи на Солнце, ниже требуемого уровня, указанный угол устанавливают таким, чтобы напряжение солнечной батареи оставалось на требуемом уровне в точке ее вольтамперной характеристики, соответствующей максимальной выходной мощности при указанном установленном угле.