Способ контроля характеристик солнечной батареи и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H02J7/35 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к способам и устройствам систем электропитания постоянным током, широко используемым на космических объектах и в других отраслях народного хозяйства.

Известны способы контроля характеристик солнечной батареи, приведенные в книге Г.Раушенбах Справочник по проектированию солнечных батарей, М., Энерго- атомиздат, 1983, стр. 338 1, при которых контроль характеристик осуществляется по результатам натурных испытаний экспериментальных солнечных батарей и непосредственно при эксплуатации больших батарей на спутниках.

Известны также методы измерения вольтамперных характеристик солнечных батарей (см. стр. 238 1J, в которых измерение параметров производится либо по световой в§льтамперной характеристике, либо по диодной (темповой) характеристике.

Характеристики солнечных батарей на орбите и степень ухудшения их параметров необходимы для определения влияния на эти характеристики особенностей конструкции спутников, изучения деградационных

потерь в результате воздействия космических условий.

Вместе с тем, в условиях штатной эксплуатации, где солнечная батарея постоянно нагружена, то есть обеспечивает энергией потребителей, необходим систематический контроль энергобаланса, осуществляемый по результатам измерения значений параметров солнечной батареи.

В практике эксплуатации космических объектов проводится телеметрический контроль параметров: тока батареи солнечной СТБС), тока нагрузки (ТН), напряжения на нагрузке (НН), напряжения батареи солнечной (НБС). Оценка энергобаланса по данным ТМ-контроля выполняется на основании следующего выражения

„,

где бс - ток батареи солнечной;

н - ток нагрузки;

к - коэффициент, численно равный КПД системы электропитания.

При невыполнении этого соотношения необходимо или подключать дополнительные секции солнечной батареи или снижать нагрузку путем ограничения количества работающей служебной аппаратуры.

3

(Л

со ел

V ,.

л„.«.« - П

О

1755351

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в системах электропитания на космических объектах. Контроль характеристик солнечной батареи основан на определении характеристик дополнительной солнечной батареи, работающей в эквивалентных условиях, как и основная батарея. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Однако этот способ контроля энергобаланса имеет большую погрешность (до 70%), обусловленную нелинейной зависимостью изменения вольтамперной характеристики солнечной батареи (см, стр. 25 1).

Негативность способа контроля энергобаланса усугубляется в системе, имеющей сериесный стабилизатор напряжения на нагрузке, так как особенностью последовательного стабилизатора напряжения является функциональная зависимость мощности солнечной батареи на его входе от потребной мощности нагрузки на выходе. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, ре- ализованный в устройстве электроснабжения с использованием солнечных элементов, изложенный в заявке Японии № 62-52541 2. В указанном решении имеется вспомогательная солнечная батарея для определения тока короткого замыкания главной солнечной батареи.

Однако неэквивалентный и нелинейный характер изменения тока короткого замыкания не позволяет однозначно осуществлять управление системой электропитания из-за неадекватности деградационных потерь в условиях космического пространства главной и вспомогательной солнечных батарей, обусловленных различными условиями экс- плуатации. Дело в том, что работа в режиме короткого замыкания (или холостого хода) вспомогательной солнечной батареи приводит, в основном,-к различию в их температурных режимах, которое будет определяться разницей в воспринимаемой от Солнца энергии и отводимой от нее посредством передачи в нагрузку. При этом, если дополнительная солнечная батарея работает в режиме короткого замыкания или холостого хода, то отводимая таким образом мощность равна нулю Следовательно, температура дополнительной солнечной батареи будет выше, чем у основной, а это, как известно, влияет и на текущее значение вы- ходных ее параметров и на ресурсные их изменения.

Наиболез близкой к предлагаемому устройству является автономная система электропитания (см. авторское свидетельст- зо СССР № 1519498, кл. Н 02 J 7/35, 1986 3), содержащая секционированную солнечную батарею, подключенную через транзисторный регулятор напряжения и фильтр к клеммам нагрузки, конденсатор, первый и второй импульсные генераторы с частотой, пропорциональной напряжению питания, выходы которых подключены к транзисторному регулятору. При этом первый генератор подключен к солнечной батарее, а

второй генератор - к ее дополнительной секции. Дополнительная секция солнечной батареи работает в режиме холостого хода и находится в тех же условиях эксплуатации (вакуум, радиация, освещенность), что и основная батарея.

Автономная система электропитания 3 обеспечивает повышение эффективности использования солнечной батареи за счет поддержания значения напряжения, равного напряжению на дополнительной секции солнечной батареи, соответствующего ее максимальной мощности.

Однако определение величины тока короткого замыкания или напряжения холостого хода с помощью вспомогательной или дополнительной солнечных батарей не учитывает неэквивалентность уровней деградации параметров солнечных батарей, работающих в разных режимах эксплуатации, а также особенностей орбитальных условий, например, при изменении их освещенности за счет отклонений в ориен-, тации батарей на Солнце, прохождения теневых участков, затенения элементами конструкции.

Необходимость обеспечения положения рабочей точки на ВАХ дополнительной БС, соответствующей рабочей точке В АХ основной БС, определяется также следующими обстоятельствами. По литературным данным, например, из рис. 2 статьи Летные характеристики солнечных батарей, установленных на выносных панелях и на корпусе спутника CTS (см. реферативный сборник статей Прямое преобразование тепловой и химической энергии в электрическую № 25, 1978 г.) видно, что за примерно 260 сутэксплуатации напряжение холостого хода снизилось , ток которого замыкания-на4,5%, а максимальная мощность БС снизилась на 8%, причем характер ресурсного снижения Охх, кз, Рмакс различается. В статье Двухлетние экспериментальные исследования солнечных элементов на борту спутника ATS-б (см. реферативный сборник статей Прямое преобразование тепловой и химической энергии в электрическую № 5, 1979 г., с.11) показано, что через два года эксплуатации БС на геостационарной орбите снизился на(12,7-19,4)%, Uxx снизился на (1,1 -4,2)%, Рмакс -на (13,7-24,4)%, то есть темп и характер снижения этих параметров также различны. Это объясняется различным влиянием факторов космического пространства на эквивалентную схему замещения фотопреобразователя.

В совокупности с этим, известно также из практики, что деградация ВАХ БС зави- сит существенно от электрического режима

ее эксплуатации в составе КА. В соответствии со статьей в информационном бюллетене Прямое преобразование различных видов энергии в электрическую № 5 (145), М, 1988 г., с. 65. это приводит к различии) в темпах деградации дополнительной БС и основной БС и как следствие к накоплению погрешности в определении мощности БС и энергетических возможностей КА. Так из формулы (5) указанной статьи следует, что постоянная деградации БС зависит от

К Кр + Кп X,,

где К - константа деградации БС;

Кр, Кп константы деградации кремния -р и -п типов соответственно;

X - переменная, зависящая от условий эксплуатации.

Также из формулы, указанной в п.4 выводов данной статьи, переменная X зависит в том числе от 1)обл - напряжения рабочей точки фотопреобразователя. При измене-, нии 11обл от 0,1 В (практически режим короткого замыкания) до и0бл 0,6 В (режим холостого хода) значение X изменяется в десять раз, то есть в режиме КЗ темп деградации БС значительно ниже, чем в режиме XX, а следовательно, неэквивалентен режиму работы основной БС под нагрузкой.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности способа контроля характеристик солнечной батареи и повышение надежности устройства для осуществления предлагаемого способа.

Поставленная цель достигается тем, что замер тока дополнительной солнечной батареи ведут при напряжении, близком к на- пряжению на нагрузке, причем определение тока основной солнечной батареи проводят по формуле

с оси I осн. доп . ОБС

БСБ°ЗБСДОП

где БСАОП - ток дополнительной солнечной батареи;

5БСОСН - площадь основной солнечной батареи;

5БСА°П - площадь дополнительной солнечной батарей.

Повышение надежности устройства достигается тем, что дополнительно введены резистор, шунтирующий дополнительную солнечную батарею, и пороговое устройство контроля напряжения, входом подключенное к дополнительной солнечной батареи, а выходом - к нагрузке, причем дополнительная солнечная батарея выполнена в виде n-секций, соединенных электрически параллельно и размещенных на

противоположных частях конструкции солнечной батареи.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Устройство (фиг. 1)#содержащее основную 1 и дополнительную 2 солнечные батареи, причем основная подключена к нагрузке 3 через сериесный преобразователь 4, аккумуляторную батарею 5, подклю0 ченную через зарядный преобразователь 6 к основной солнечной батареи, а через разрядный преобразователь 7 к нагрузке, дополнительно введены резистор 8, шунтирующий дополнительную солнечную

5 батарею, и пороговое устройство 9 контроля напряжения, входом подключенное к дополнительной солнечной батареи, а выходом - к нагрузке. Причем дополнительная солнечная батарея выполнена в виде n-секций, со0 единенных электрически парзллел:.нг и размещенных на противоположных частях конструкции солнечной батареи.

Устройство работает следующим образом.

5 Дополнительная солнечная батарея 2 нагружена резистором 8 и генерирует напряжение, близкое к напряжению на нагрузке 3. Это по условиям эксплуатации (температура, деградация, затенение) соот0 ветствует режиму работы основной батареи 1. При достаточной освещенности- 1360±40Вт/м (условия АМО)дополнительная солнечная батарея 2 находится в стационарном режиме работы. Ток, проходящий

5 через резистор 8, можно использовать для оценки располагаемого тока основной солнечной батареи 1. Пороговое устройство 9 контроля напряжения при уровне напряжения, близком к напряжению на нагрузке 3,

0 не формирует сигнала на отключение части нагрузки или подключения резервных секций солнечных батарей. В случае снижения мощности солнечного светового потока, например, в результате аномальной работы

5 системы ориентации, мощность светового потока, воздействующего на солнечные батареи 1 и 2, падает. При этом уменьшается мощность, генерируемая солнечными батареями 1 и 2. В работу задействуется аккуму0 ляторная батарея 5 и через разрядный преобразователь 7 компенсирует на нагрузке 3 недостающую мощность от солнечной батареи 1. В процессе этого снижаются также напряжение и ток на дополнительной

5 солнечной батарее 2 и при достижении заданного уровня пороговое устройство 9 формирует сигнал на отключение сеансной нагрузки 9. В результате этого космический аппарат переводится в режим закрутки, которая обеспечивает циклическое обрзщение солнечных батарей 1 и 2 к Солнцу. Таким образом создается положительный энергобаланс в аварийном режиме питания и за счет этого ограничивается емкость, расходуемая с аккумуляторной батареи 5. Перед плановым затенением солнечных батарей (прохождение теневых участков Земли, Луны) пороговое устройство 9 блокируют по радиокомандам или временным меткам,

Для повышения надежности весьма рационально дополнительную солнечную батарею выполнить в виде п-секций, соединенных электрически параллельно. Это позволяет делать выборку, например, по данным с двух любых из трех имеющихся секций. Вместе с этим секции дополнительной солнечной батареи 2 целесообразно размещать на противоположных частях конструкции солнечной батареи 1, Это признак позволит освободиться от их затенения элементами конструкции космического аппарата, что также повышает надежность работы системы электропитания.

На стр. 236 1 показано характеристическое влияние величины нагрузки (резистора) на рабочую точку вольтамперной характеристики контрольной (дополнительной) солнечной батареи, Для конкретных ус- ловий величина резистора 8 (фиг. 1) выбирается, исходя из обеспечения напряжения на дополнительной солнечной батарее 2, близкого к напряжению на нагрузке 3. В результате этого характеристика U f(l) имеет широкий диапазон изменения напряжения и тока от освещенности, эквивалентна по температуре и дегра дационным потерям, что позволит осуществлять с помощью контроля параметров тока и напряжения следующее: формировать сигнал на отключение нагрузки, например, по заданному уровню напряжения в результате снижения интенсивности освещения солнечных батарей по причине таких факторов, как потеря ориентации на Солнце,зате- нения элементами конструкции и т.д.; определять располагаемый ток основной солнечной батареи по предложенной формуле,

Действительно, если основная и дополнительная батареи эквивалентны по форме ВАХ и условиям эксплуатации, то характеристики их будут пропорциональны соотно шению площадей. Благодаря этим параметрам дополнительной солнечной батареи (тока и напряжения) расширяются функцио- нальные возможности систем электропитания и повышается точность контроля энергобаланса с упрощением процедуры его анализа.

Формула изобретения

целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, замер тока дополнительной солнечной батареи ведут при напряжении, близком к напряжению на нагрузке, причем определение тока

основной солнечной батареи проводят по формуле

8бсосн

БС

оси

БС

ДСП

Звсдоп

гДе БСДОП - ток дополнительной солнечной батареи;

ЗБСОСН - площадь основной солнечной батареи;

ЗБСДОП - площадь дополнительной сол- нечной батареи.

нагрузке через сериесный преобразователь, аккумуляторную батарею, подключенную через зарядный преобразователь к основной солнечной батарее, а через разрядный преобразователь к нагрузке, о т л ичающееся тем, что, с целью повышения надежности, дополнительно введены резистор, шунтирующий дополнительную солнечную батарею и пороговое устройство контроля напряжения, входом подключенное к дополнительной солнечной батарее, а выходом - к нагрузке.

3.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что дополнительная солнечная батарея выполнена в виде п секций, соединенных электрически параллельно и размещенных на противоположных частях конструкции солнечной батареи.