Đang tải... (xem toàn văn)
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 1 Lời nói đầu Trong thời đại công nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu của con người về thông tin và truyền thông ngày càng đa dạng hơn và các đòi hỏi càng khắt khe hơn. Trong bối cảnh đó rất nhiều 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 lớn trong đời sống. Số lượng vệ tinh ngày một nhiều, chất lượng ngày một cao và thời gian con người khai thác 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 tháng khiến cho vệ tinh luôn cần một hộ thống nguồn ồn định, chuẩn xác để cung cấp mọi năng lượng giống 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 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. Trong bài báo cáo không tránh khỏi còn gặp nhiều thiếu xot, mong nhận được sự góp ý của 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 Đức Lớp KSTN – ĐTVT – K54 2 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 3 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 4 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, hoạt động bền bỉ, chính xác. Khi thiết kế phân hệ nguồn cần quan tâm tối ưu các vấn đề về chi phí, hiệu năng và khối lượng. Khác với hệ thống nguồn thông thường, phân hệ nguồn vệ tinh cần đảm bảo các chức năng riêng biệt như: • Có thể hoạt động độc lập bằng nguồn năng lượng tái tạo hoặc năng lượng hạt nhân (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 vệ tinh hoạt động còn cần đến các phân hệ khác như phân hệ nguồn, nhiệt, bám, xoay, Phân hệ nguồn đảm bảo cung cấp đầy đủ năng lượng cho các phân hệ còn lại. 5 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. • Power: 7600W VD3: Vệ tinh LEOStar-2 • Quỹ đạo 450 – 1000 km. • Tuổi thọ thiết kế: 5 năm. • Power: 2000W 6 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 như được trình bày ở phần trước. Chương này cho ta cái nhìn chi tiết hơn về cấu tạo, hoạt động cũng như các công nghệ được áp dụng trên các khối. Trong chương còn đưa ra các ví dụ thực tế về các thiết 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 lưu trữ năng lượng khi vệ tinh trong vùng tối của quỹ đạo, hỗ trợ nguồn chính (nguồn trực tiếp từ mặt 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 mỗi năm là nhiều hơn (do đó quỹ đạo tầm thấp thường tuổi thọ thấp hơn). Tuổi thọ của pin cũng chính 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: • Dung lượng • Khối lượng • Tuổi thọ • Độ sâu xả (Năng lượng tối đa có thể xả được) • Dòng xả • Thời gian sạc 7 2.1.3. Các công nghệ pin ! "# $% & ' Ni-Cd 1.45 1.25 40 – 50 150 – 200 4.02 -20 – 50 Ni-H2 1.55 1.25 45 – 65 150 – 200 7.4 -10 – 50 Li-ion 4.1 3.5 90 – 150 200 – 220 10 10 – 45 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 Li-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 8 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 9 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 • Khối lượng: 52 kg • Dùng cho quỹ đạo LEO 2.2 Điện áp hệ thống &( )&*+* 10 [...]... 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 16 Pavg là năng lượng tiêu thụ trung bình của vệ tinh Xd: Hiệu... thiết kế một bộ nguồn vệ tinh cụ thể 15 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 bộ nguồn trên vệ tinh Trong thực tế việc thiết kế này là rất phức tạp với nhiều tham số, tuy nhiên trong khuôn khổ bài tập lớn này chỉ trình bày những điểm cơ bản trong việc tính toán nguồn vệ tinh 3.1 Tính toán... công nghệ high-n Si và đóng gói kiểu rotating-wings) Kết luận chương Trong chương này đã trình bày ngắn gọn những công thức cơ bản trong thiết kế bộ nguồn cho vệ tinh Trong thực tế để tính toán được nguồn cho vệ tinh còn cần rất nhiều thông số và các công thức khác, tuy nhiên những điều trình bày ở trên cho ta cái nhìn tổng quan và cho ta ý tưởng phải làm sao để tính toán được bộ nguồn cho vệ tinh 21... 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 vùng sáng, pin đã được sạc đầy và năng lượng trực tiếp từ mặt tròi đủ cho vệ tinh hoạt động Trong chế độ này toàn bộ vệ tinh sẽ sử dụng năng lượng trực tiếp từ mặt trời Lưu ý trong chế độ này luôn phải có mạch bảo vệ vì năng... bộ nguồn cho vệ tinh 21 Kết luận Qua bài tập lớn này đã giúp em hiểu rõ hơn về vai trò, tầm quan trọng của hệ thống nguồn vệ tinh, vị trí của nuồn trong toàn bộ hệ thống, cấu tạo chi tiết các khối có trong bộ nguồn vệ tinh và tác dụng của chúng trong hệ thống chung Phần tính toán nguồn còn cung cấp những công thức cũng như ý tưởng cơ bản nhất trong việc thiết kế một bộ nguồn, tuy các công thức còn... 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 toàn cho các khối cũng như an toàn cho bộ nguồn Tùy thuộc vào thiết kế, chức năng của từng vệ tinh mà có... thực tấm năng lượng mặt trời PF: là hệ số kích thước do đóng gói Vì có các khe hở tồn tại giữa các pin năng lượng Thường lấy PF=0.9 3.2 Tính toán pin 3.2.1 • • • • • • Các tham số đầu vào Quỹ đạo vệ tinh Dòng xả trung bình Dòng xả tối đa Điện áp hệ thống Thời gian sống Thiết kế của vệ tinh 3.2.2 Các công thức Khi lựa chọn công nghệ pin sử dụng cũng như thiết kế hệ thống pin, ngoài các tham số về hiệu... 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 các mode Việc đáp ứng thay đổi các mode được thực hiện bằng mạch điện hoặc cơ học tùy từng trường 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... khối lượng và hiệu suất 2.3.3 Tấm pin mặt trời Có nhiều phương pháp để kết hợp các tấm pin mặt trời lại với nhau trên vệ tinh, tuy nhiên phổ biến nhất là 2 phương pháp: • • Phủ toàn bộ các tấm pin mặt trời lên bề mặt vệ tinh: Phương pháp này đơn giản, thường được sử dụng trong các vệ tinh cỡ nhỏ Tuy nhiên hiệu quả của phương pháp này là không cao Sử dụng 1 tấm cánh đón năng lượng mặt trời: Phương pháp... 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 dụng hơn các công nghệ tiên tiến tuy nhiên ưu thế về giá thành vẫn khiến công nghệ này được lựa chọn 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 ưu điểm về khói lượng nhẹ, hiệu suất . 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 vệ tinh hoạt động. phân hệ khác như phân hệ nguồn, nhiệt, bám, xoay, Phân hệ nguồn đảm bảo cung cấp đầy đủ năng lượng cho các phân hệ còn lại. 5 1.3. Sơ đồ khối phân hệ nguồn vệ tinh Hình 1.2: Sơ đồ khối phân hệ. 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