СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2017 года по МПК B64G1/44 

Изобретение относится к области космической техники, а именно, к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА) и может быть использовано при эксплуатации солнечных батарей (СБ) СЭС КА.

Основной электрической характеристикой СБ является максимальная выходная мощностью СБ (эта мощность отличается от текущей действительной выходной мощности, зависящей от нагрузки и влияния окружающей среды). На стадии проектирования и изготовления СБ осуществляется теоретический расчет выходных параметров СБ, который может быть основан на методе перемещений вольт-амперной характеристики, учитывающем различные влияния окружающей среды и параметров нагрузки на характеристики СБ (Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю. 0000-АТО. РКК «Энергия», 1998; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва. Энергоатомиздат.1983. Стр. 49, 54).

Недостаток указанного способа определения максимальной выходной мощности СБ заключается в том, что используемые в расчетах модели факторов космического полета имеют ограниченную точность, что не позволяет получить достоверные данные о реальных характеристиках СБ в полете, учитывающих процесс «деградации» СБ.

Для контроля фактических характеристик СБ в полете проводятся специальные полетные операции - сеансы оценки эффективности СБ, в которых осуществляется измерение фактической максимальной выходной мощности СБ. По результатам определения максимальной выходной мощности СБ оценивается текущая эффективность СБ как отношение измеренной максимальной выходной мощности СБ к ее номинальному значению - проектному или некоторому исходному значению (например, на момент начала функционирования КА).

Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является способ определения максимальной выходной мощности солнечных батарей космического аппарата (Патент РФ №2353555 по заявке №2006131395/11, приоритет от 31.08.2006), согласно которому разворачивают панели СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с направлением на Солнце, измеряют угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА, на витках, на которых значение угла, равное 180° за вычетом суммы угла полураствора видимого с КА диска Земли и угла полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ, превышает измеренный выше угол, измеряют угол возвышения направления на Солнце над видимым с КА горизонтом Земли, и максимальную выходную мощность двусторонних СБ и СБ, имеющих положительную выходную мощность их тыльной поверхности, определяют как произведение значений напряжения и тока от СБ, измеренных в моменты, в которые отраженное от Земли излучение поступает на панели СБ с их торцевой стороны, определяемые из условия равенства значений угла возвышения направления на Солнце над видимым с КА горизонтом Земли и угла полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности панелей СБ, а максимальную выходную мощность односторонних СБ определяют как произведение значений напряжения и тока от СБ, измеренных в моменты, в которые отраженное от Земли излучение поступает на панели СБ с их торцевой или тыльной сторон, определяемые из условия равенства или превышения значением угла возвышения направления на Солнце над видимым с КА горизонтом Земли угла полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ.

Способ-прототип минимизирует негативное влияние отраженного от Земли излучения, которое вносит неопределенность в определение максимальной выходной мощности СБ и в последующее решение задачи оценки эффективности СБ.

Способ-прототип имеет существенный недостаток - он не позволяет учитывать негативное влияние отраженного от поверхности КА солнечного излучения. Действительно, солнечное излучение отражается от поверхности КА и отраженное от поверхности КА излучение воспринимается СБ для генерации тока, чем увеличивает их выходную мощность. Таким образом, кроме прямого солнечного излучения на СБ попадает поток отраженного от поверхности КА излучения, что также вносит неопределенность в определение максимальной выходной мощности СБ и в последующее решение задачи оценки их эффективности. Неопределенность при этом заключается в наличии возможности не прогнозируемого и не подлежащего учету завышения получаемых значений выходной мощности СБ.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение точности определения максимальной выходной мощности солнечной батареи.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в исключении негативного влияния отраженного от поверхности КА солнечного излучения при определении максимальной выходной мощности СБ.

Технический результат достигается тем, что в способе определения максимальной выходной мощности солнечных батарей космического аппарата, включающем разворот панелей СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочим поверхностям с направлением на Солнце, измерение значения тока от СБ, измерение напряжения и определение максимальной выходной мощности СБ по значениям напряжения и тока от СБ, измеренным в моменты, в которые отраженное от Земли излучение поступает на панели СБ с их торцевой и/или тыльной стороны, дополнительно разворачивают КА до достижения углами между вектором направления на Солнце, с одной стороны, и векторами нормалей к видимым с рабочих поверхностей СБ участкам поверхности КА, с другой стороны, значений ≥90°, после чего выполняют измерение значений напряжения и тока от СБ, по которым определяют максимальную выходную мощность СБ.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, на которых представлены примеры возможных схем ориентации СБ относительно направления на Солнце и корпуса КА цилиндрической формы и введены обозначения:

S - вектор направления на Солнце;

М - ось корпуса КА цилиндрической формы;

N - вектор нормали к рабочей поверхности СБ;

L - вектор направления от точки рабочей поверхности СБ на точку поверхности КА;

Р - вектор нормали к поверхности КА;

С - освещенная поверхность КА;

Т - затененная поверхность КА.

В предлагаемом техническом решении при определении максимальной выходной мощности СБ одновременно устраняется негативное влияние солнечного излучения, отраженного как от Земли, так и от поверхности КА.

Негативное влияние отраженного от Земли излучения устраняется за счет определения максимальной выходной мощности СБ в моменты, когда отраженное от Земли излучение поступает на торцевую и/или тыльную сторону панелей СБ. Например, как описано в способе-прототипе, данные моменты могут определяться из условий равенства и/или превышения значением угла возвышения направления на Солнце над видимым с КА горизонтом Земли значения угла полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ - в зависимости от рассмотренных в прототипе классов СБ, различающихся возможностью выработки электроэнергии от освещения их тыльной поверхности.

Негативное влияние отраженного от поверхности КА солнечного излучения устраняется за счет выполнения разворота КА относительно СБ и Солнца до положения, в котором углы между вектором направления на Солнце, с одной стороны, и векторами нормалей к видимым с рабочих поверхностей СБ участкам поверхности КА, с другой стороны, принимают значения ≥90°.

При такой ориентации поверхности КА относительно Солнца и СБ солнечное излучение проходит параллельно видимым с рабочих поверхностей СБ участкам поверхности КА (в этом случае значение угла между вектором направления на Солнце и вектором нормали к указанному участку поверхности КА =90°, данный случай поясняется на фиг. 1) или видимые с рабочих поверхностей СБ участки поверхности КА затенены (в этом случае значение угла между вектором направления на Солнце и вектором нормали к указанному участку поверхности КА >90°, данный случай поясняется на фиг. 2). В обоих описанных случаях исключается поступление на рабочие поверхности СБ отраженного от поверхности КА излучения.

После выполнения указанных разворотов КА выполняют измерение значений напряжения и тока от СБ, по которым определяют максимальную выходную мощность СБ как произведение измеренных значений напряжения и тока от СБ.

Данный способ применим для КА с подвижными СБ, для которых существует такое положение конструктивных элементов КА относительно СБ и Солнца, при котором углы между вектором направления на Солнце и векторами нормалей ко всем видимым с рабочих поверхностей СБ участкам поверхности КА ≥90°. Например, в том числе способ применим для КА, конструктивные элементы которого, видимые с рабочих поверхностей СБ, имеют форму цилиндра (например, как представлено на фиг. 1 и 2), призмы (например, параллелепипеда) и т.п.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить точность определения максимальной выходной мощности СБ за счет минимизации (исключения) негативного влияния отраженного от поверхности КА излучения при определении максимальной выходной мощности СБ и оценке их эффективности.

Технический результат достигается путем определения максимальной выходной мощности СБ в моменты времени, когда КА развернут относительно СБ и Солнца в положение, при котором минимизируется (исключается) использование отраженного от поверхности КА излучения для выработки электроэнергии, чем устраняется непрогнозируемое и неподлежащее учету завышение текущих значений выходной мощности СБ и, следовательно, увеличивается точность определения максимальной выходной мощности СБ.

Указанный технический эффект достигается за счет выполнения предложенного разворота КА в предложенную ориентацию относительно СБ и Солнца и определения максимальной выходной мощности СБ по указанным параметрам (напряжению и току), измеренным после построения предложенной ориентации КА.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.

Изобретение относится к электрогенерирующим системам космического аппарата (КА). Способ включает разворот панелей солнечных батарей (СБ) КА их рабочими поверхностями на Солнце. Максимальную выходную мощность СБ определяют путём измерения тока и напряжения от СБ в моменты, когда отраженное от Земли излучение падает на торцевую и/или тыльную сторону панелей СБ. При этом дополнительно разворачивают КА до достижения углами между вектором направления на Солнце и векторами нормалей к видимым с рабочих поверхностей СБ участкам поверхности КА значений ≥ 90°. Технический результат изобретения состоит в уменьшении влияния отраженного от поверхности КА излучения на данные измерений характеристик СБ. 2 ил.

Способ определения максимальной выходной мощности солнечных батарей космического аппарата, включающий разворот панелей солнечных батарей в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их рабочим поверхностям с направлением на Солнце, измерение значения тока от солнечных батарей, измерение напряжения и определение максимальной выходной мощности солнечных батарей по значениям напряжения и тока от солнечных батарей, измеренным в моменты, в которые отраженное от Земли излучение поступает на панели солнечных батарей с их торцевой и/или тыльной стороны, отличающийся тем, что дополнительно разворачивают космический аппарат до достижения углами между вектором направления на Солнце и векторами нормалей к видимым с рабочих поверхностей солнечных батарей участкам поверхности космического аппарата значений ≥ 90°, после чего выполняют измерение значений напряжения и тока от солнечных батарей, по которым определяют максимальную выходную мощность солнечных батарей.