УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Российский патент 2025 года по МПК G01R31/36 

Изобретение относится к приборостроению для применения в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА) для сбора статистической информации по ресурсной деградации энергетических вольтамперных характеристик (ВАХ) опытных образцов (модулей) солнечных батарей (СБ), а также их динамических характеристик в условиях околоземного космического пространства.

Известно устройство для регистрации характеристик солнечных батарей (УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ/Амельченко А.Н., Базилевский А.Б., Вейсвер Т.Г.//Патент на изобретение RU 2357264 С1, 27.05.2009. Заявка №2008101278/28 от 09.01.2008). Устройство предназначено для регистрации характеристик батарей солнечных и может быть использовано при лабораторных исследованиях и цеховых приемосдаточных испытаниях батарей солнечных по их статическим и динамическим характеристикам. Сущность: устройство содержит управляемую нагрузку, измеритель тока, сумматор, задающий блок с тремя выходами, два масштабирующих усилителя напряжения и тока, два звена скоростных отрицательных обратных связей, также введены интегрирующее звено, управляемый стабилизатор тока, дроссель коррекции, высокочастотный широполосный трансформатор, два аналого-цифровых преобразователя, интерфейс и нормально замкнутый ключ. Технический результат: повышение точности за счет исключения теплового дрейфа в результате уменьшения времени регистрации вольт-амперной характеристики батареи до предела, определяемого ее динамическими характеристиками

Недостатками данного устройства являются недостаточная чувствительность при регистрации предельно малых изменений характеристик солнечных батарей, а также невозможность использования для проведения экспериментов в космосе.

Известно устройство для регистрации характеристик солнечных батарей, содержащее управляемую нагрузку, выход которой присоединен к клемме для подключения потенциальной шины солнечной батареи, измеритель тока, включенный последовательно в цепь солнечной батареи и присоединенный к другой ее шине, выход измерителя тока присоединен к входу масштабирующего усилителя тока, вход другого масштабирующего усилителя напряжения к выходу управляемой нагрузки, два аналого-цифровых преобразователя и микропроцессор, отличающееся тем, что в устройство введены два устройства выборки и хранения, тока и напряжения соответственно, два коммутатора, причем выходы масштабирующих усилителей присоединены ко входам устройств выборки-хранения и к первым входам коммутаторов, ко вторым входам которых присоединены выходы устройств выборки-хранения, выходы коммутаторов присоединены ко входам аналого-цифровых преобразователей, а их выходы присоединены к шине данных микропроцессора, к которой присоединены шины коммутаторов, устройств выборки-хранения и вход управляемой нагрузки, выполненной в виде резистивной безиндукционной матрицы, являющейся цифроаналоговым преобразователем код-сопротивление (УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ/Базилевский А.Б., Карпенко А.В., Нестеришин М.В.//Патент на изобретение RU 2422842 С1, 27.06.2011. Заявка №2009146663/28 от 15.12.2009).

Недостатком данного устройство является недостаточная чувствительность при регистрации предельно малых изменений характеристик солнечных батарей в условиях космического эксперимента.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является устройство для измерения характеристик солнечных батарей, состоящее из опорной и контролируемой солнечной батареи, ключей для управления режимом «ток-напряжение», аналогово-цифрового преобразователя, двух преобразователей ток-напряжение, построенных на операционных усилителях, микроконтроллере и датчике температуры (Калаев М.П., Родина А.В., Телегин A.M. Исследование изменения характеристик солнечных батарей при воздействии факторов космического пространства // Приборы и техника эксперимента. - 2022. - №6. - С. 99-105). В данном устройстве используется схема измерения с двумя солнечными батареями, при этом одна из солнечных батарей является контролируемой (и размещается в вакуумной камере ускорителя микрочастиц таким образом, чтобы находится в зоне воздействия моделируемых факторов), а вторая опорная (находится в стороне от воздействий). При этом обе солнечные батареи находятся при одинаковой температуре благодаря размещению на общей теплопроводящей пластине из алюминия.

Недостатком данного устройство является то, что данное устройство не предназначено для использования в условиях космического пространства.

Задачей изобретения является разработать устройство для проведения космического эксперимента по исследованию характеристик солнечных батарей с повышенной точностью измерения.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для регистрации характеристик солнечных батарей в условиях действия факторов космического пространства, содержащий опорную и контролируемую солнечные батареи, аналогово-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчика температуры, согласно изобретению дополнительно введены источник опорного напряжения, датчик углового положения Солнца, подключенный к микроконтроллеру, поворотный защитный экран, закрепленный на оси шагового двигателя, соединенного с драйвером шагового двигателя, вход которого соединен с микроконтроллером, при этом выходы микроконтроллера также соединены с датчиком температуры, резистивным нагревателем, интерфейсным модулем, многоканальным аналогово-цифровым преобразователем, цифро-аналоговым преобразователем, ключом, который соединен с резистивным нагревателем, при этом контролируемая солнечная батарея подключена к первому дифференциальному усилителю напряжения и через первый резистивный шунт подключена к первому усилителю тока, при этом выводы первого резистивного шунта также подключены к входам первого дифференциального усилителя тока, а опорная солнечная батарея подключена к второму дифференциальному усилителю напряжения и через второй резистивный шунт подключена к второму усилителю тока, при этом выводы второго резистивного шунта также подключены к входам второго дифференциального усилителя тока, при этом входы многоканального аналогово-цифрового преобразователя соединены с выходами первого дифференциального усилителя, первого дифференциального усилителя тока, второго дифференциального усилителя тока, второго дифференциального усилителя, а выход цифро-аналогового преобразователя соединен с входами первого усилителя тока и второго усилителя тока.

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где на Фиг. 1 изображена структурная схема устройство для регистрации характеристик солнечных батарей в условиях действия факторов космического пространства,

на Фиг. 2. изображена 3D модель устройства для регистрации характеристик солнечных батарей в условиях действия факторов космического пространства, когда открыты контролируемая солнечная батарея и опорная солнечная батарея,

на Фиг. 3. изображена 3D модель устройства для регистрации характеристик солнечных батарей в условиях действия факторов космического пространства, когда открыта контролируемая солнечная батарея и закрыта подвижным диском опорная солнечная батарея,

на Фиг. 4. изображена 3D модель устройства для регистрации характеристик солнечных батарей в условиях действия факторов космического пространства, когда закрыты подвижным диском контролируемая солнечная батарея и опорная солнечная батарея.

Устройство для регистрации характеристик солнечных батарей в условиях действия факторов космического пространства содержит поворотный защитный экран 1, контролируемую солнечную батарею 2, шаговый двигатель 3, опорную солнечную батарею 4, первый усилитель тока 5, второй усилитель тока 6, первый резистивный шунт 7, второй резистивный шунт 8, первый дифференциальный усилитель 9, первый дифференциальный усилитель тока 10, второй дифференциальный усилитель тока 11, второй дифференциальный усилитель 12, источник опорного напряжения 13, многоканальный аналогово-цифровой преобразователь 14, микроконтроллер 15, цифро-аналоговый преобразователь 16, драйвер шагового двигателя 17, датчик температуры 18, ключ 19, резистивный нагреватель 20, интерфейсный модуль 21, датчик углового положения Солнца 22 (Фиг. 1).

Контролируемая солнечная батарея 2 подключена к первому дифференциальному усилителю напряжения 9, а также через первый резистивный шунт 7 подключена к первому усилителю тока 5, управляемому с помощью цифро-аналогового преобразователя 16. Выводы первого резистивного шунта 7 также подключены к входам первого дифференциального усилителя тока 10, а выходы первого дифференциального усилителя 9 и первого дифференциального усилителя тока 10 подключены к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 14. Цифровые линии многоканального аналого-цифрового преобразователя 14 и цифро-аналогового преобразователя 16 подключены к микроконтроллеру МК 15. Опорная солнечная батарея 4 подключена к второму усилителю напряжения 12, а также через второй резистивный шунт 8 к второму усилителю тока 6, управляемому с помощью цифро-аналогового преобразователя 16. Выводы второго резистивного шунта 8 подключены к входам второго дифференциального усилителя 11, а выходы второго дифференциального усилителя 12 и второго дифференциального усилителя тока 11 подключены ко входам многоканального аналого-цифрового преобразователя 14. Микроконтроллер 15 также соединен с входом драйвера шагового двигателя 17, выходом датчика температуры 18, интерфейсным модулем 21, ключом 19, соединенным с резистивным нагревателем 20. При этом выход драйвер шагового двигателя 17 соединен с шаговым двигателем 3, который вращает поворотный защитный экран 1. Выходы датчика углового положения Солнца 22 подключены к микроконтроллеру 15.

Микроконтроллер 15 с помощью цифро-аналогового преобразователя через первый усилитель тока 5 и второй усилитель тока 6 плавно изменяет нагрузку контролируемой солнечной батареи 2 и опорной солнечной батареи 4 соответственно, от режима холостого хода (XX) до режима короткого замыкания (КЗ), при этом многоканальный аналого-цифровой преобразователь 14, подключенный к первому дифференциальному усилителю 9 и второму дифференциальному усилителю 12, оцифровывает сигнал равный напряжению на контактах контролируемой солнечной батареи 2 и опорной солнечной батареи 4 соответственно. Также многоканальный аналого-цифровой преобразователь 14 оцифровывает сигнал с первого дифференциального усилителя тока 10 и второго дифференциального усилителя тока 11, которые эквивалентны выходным токам контролируемой солнечной батареи 2 и опорной солнечной батареи 4 соответственно.

Контролируемая солнечная батарея 2 и опорная солнечная батарея 4 установлены на металлической теплопроводящей монтажной плите, температура которой измеряется с помощью датчика датчик температуры 18, подкаченного к микроконтроллеру 15. Температура монтажной плиты может быть стабилизирована, путем включения резистивный нагреватель 20 с помощью команды, подаваемой от микроконтроллера 15 на ключ 19.

Для питания электрических схем устройства используется источник опорного напряжения 13 формирующих напряжения +5 В и -5 В из бортового питания относительно потенциала общего провода. Использование двухполярного напряжения для питания усилителей позволяет обеспечить полноценный режим КЗ, когда напряжение на выводах контролируемой солнечной батареи 2 или опорной солнечной батареи 4 равно 0 В. Для минимизации влияния падения напряжения на проводниках между солнечными батареями и усилителями используется четырехпроводная схема измерения.

Датчик углового положения Солнца 22 позволяет определить момент ортогонального падения солнечного излучения на поверхность солнечных батарей при орбитальном движении космического аппарата. При такой ориентации солнечных батарей относительно Солнца, измерение характеристик этих Солнечных батарей наиболее эффективно.

Оценка влияния факторов космической среды на солнечные батареи, а также методика измерения характеристик солнечных батарей более подробно рассмотрена в работах [1-3].

Для защиты опорной солнечной батареи 4 от воздействия факторов космического пространства, а также для полного перекрытия контролируемой солнечной батареи 2 и опорной солнечной батареи 4 при хранении и выводе устройства в космическую орбиту, используется поворотный защитный экран 1, закрепленный на оси шаговый двигатель 3 (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4).

В режиме измерения характеристик контролируемой солнечной батареи 2 и опорной солнечной батареи 4, поворотный защитный экран 1 приводится в положение, когда контролируемая солнечная батарея 2 и опорная солнечная батарея 4 открыты (Фиг. 2). Выполняется ожидание, для достижения прогрева установочной монтажной плиты, на которую установлены контролируемая солнечная батарея 2 и опорная солнечная батарея 4, до заданной температуры с помощью резистивный нагреватель 20, либо за счет естественного нагрева от падающего солнечного излучения.

Для приема команд и передачи результатов измерения микроконтроллер 15 подключается через интерфейсный модуль 21 к бортовому компьютеру космического аппарата (КА).

Преимуществом данного изобретения является:

1) минимизация влияния углового положения контролируемых солнечных батарей относительно солнца;

2) уменьшение влияния изменения температуры контролируемых солнечных батарей на оценку их показателей деградации (напряжения холостого хода и тока короткого замыкания);

3) возможность регистрации малых изменений характеристик солнечных батарей за счет использования дифференциального канала;

4) возможность применения устройства для проведения экспериментов в космическом пространстве.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шунтирование элементов солнечных батарей при одиночных ударах твердых частиц/ Новиков Л.С., Надирадзе А.Б., Бедняков С.А., Гаврюшин А.В.// Труды МАИ. Космическая техника и технологии. 2000. Вып. 1. С. 1.

2. Воздействие метеороидов и техногенных частиц на солнечные батареи космических аппаратов/Надирадзе А.Б., Калаев М.П., Семкин Н.Д.//Космические исследования. 2016. Т. 54. №5. С. 392-401.

3. Бессель В.В., Кучеров В.Г., Мингалеева Р.Д. Изучение солнечных фотоэлектрических элементов: Учебно-методическое пособие. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016. - 90 с.

Изобретение относится к приборостроению. Устройство для регистрации характеристик солнечных батарей в условиях действия факторов космического пространства содержит опорную и контролируемую солнечные батареи, аналогово-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, согласно изобретению дополнительно введены источник опорного напряжения, датчик углового положения Солнца, подключенный к микроконтроллеру, поворотный защитный экран, закрепленный на оси шагового двигателя, соединенного с драйвером шагового двигателя, вход которого соединен с микроконтроллером, при этом выходы микроконтроллера также соединены с датчиком температуры, резистивным нагревателем, интерфейсным модулем, многоканальным аналогово-цифровым преобразователем, цифро-аналоговым преобразователем, ключом, который соединен с резистивным нагревателем, при этом контролируемая солнечная батарея подключена к первому дифференциальному усилителю напряжения и через первый резистивный шунт подключена к первому усилителю тока, при этом выводы первого резистивного шунта также подключены к входам первого дифференциального усилителя тока, а опорная солнечная батарея подключена к второму дифференциальному усилителю напряжения и через второй резистивный шунт подключена к второму усилителю тока, при этом выводы второго резистивного шунта также подключены к входам второго дифференциального усилителя тока, при этом входы многоканального аналогово-цифрового преобразователя соединены с выходами первого дифференциального усилителя, первого дифференциального усилителя тока, второго дифференциального усилителя тока, второго дифференциального усилителя, а выход цифро-аналогового преобразователя соединен с входами первого усилителя тока и второго усилителя тока. Изобретение обеспечивает минимизацию влияния углового положения контролируемых солнечных батарей относительно солнца, уменьшение влияния изменения температуры контролируемых солнечных батарей на оценку их показателей деградации, возможность регистрации малых изменений характеристик солнечных батарей за счет использования дифференциального канала. 4 ил.

Устройство для регистрации характеристик солнечных батарей в условиях действия факторов космического пространства, содержащее опорную и контролируемую солнечные батареи, аналогово-цифровой преобразователь, микроконтроллер, датчик температуры, отличающееся тем, что дополнительно введены источник опорного напряжения, датчик углового положения Солнца, подключенный к микроконтроллеру, поворотный защитный экран, закрепленный на оси шагового двигателя, соединенного с драйвером шагового двигателя, вход которого соединен с микроконтроллером, при этом выходы микроконтроллера также соединены с датчиком температуры, резистивным нагревателем, интерфейсным модулем, многоканальным аналогово-цифровым преобразователем, цифро-аналоговым преобразователем, ключом, который соединен с резистивным нагревателем, при этом контролируемая солнечная батарея подключена к первому дифференциальному усилителю напряжения и через первый резистивный шунт подключена к первому усилителю тока, при этом выводы первого резистивного шунта также подключены к входам первого дифференциального усилителя тока, а опорная солнечная батарея подключена к второму дифференциальному усилителю напряжения и через второй резистивный шунт подключена к второму усилителю тока, при этом выводы второго резистивного шунта также подключены к входам второго дифференциального усилителя тока, при этом входы многоканального аналогово-цифрового преобразователя соединены с выходами первого дифференциального усилителя, первого дифференциального усилителя тока, второго дифференциального усилителя тока, второго дифференциального усилителя, а выход цифро-аналогового преобразователя соединен с входами первого усилителя тока и второго усилителя тока.