طراحي و شبيهسازي منبع تغذيه توان ميکرو ماهوارهها

طراحي و شبيهسازي منبع تغذيه توان ميکرو ماهوارهها *1 مرضیه کریمی دهکردی 1 سید محمد مهدی میرطالیی دانشکده مهندسی برق واحد نجف آباد دانشگاه آزاد اسالمی نجف آباد ایران. mirtalaei.iaun@gmail.com چکیده اغلب ماهوارههايي که در مدار پايين زمين قرار دارند از نوع ماهوارههاي کوچک )ميکروماهواره( هستند. منبع اصلي تغذيه ميکرو ماهوارهها معموال از سه بخش توليد ذخيره و تبديل توان تشکيل شده است. بخش توليد توان آن معموال از سلولهاي خورشيدي تشکيل شده است که انرژي خورشيدي جذب شده آن براي شارژ کردن باتريها و مصرف کنندهها مورد استفاده قرار ميگيرد. سلولهاي خورشيدي ابزارهاي الکترونيکي هستند که با استفاده از پديده فتوولتائيک نور يا فتون را مستقيما به جريان يا ولتاژ الکتريکي تبديل ميکنند. سلول خورشيدي وقتي داراي بيشترين بازده ميباشد که در نقطه حداکثر توان کار کند. اما به خاطر تغيير پارامترها نميتوانند بدون کنترل در اين نقطه کار کند. توان توليد شده به وسيله سلول خورشيدي به عوامل اصلي تابش و دماي سلول خورشيدي و اندازه بار متصل شده به آن بستگي دارد که در آن تابش و دماي سلول خورشيدي با زمان تغيير ميکند پس نقطه حداکثر توان نيز تغيير ميکند. روشهاي مختلفي براي رديابي نقطه حداکثر توان وجود دارد که ما در اين مقاله از روش P&O استفاده کرديم. بخش ذخيره آن شامل باتريهاي ليتيوم يون نيکل کادميوم نيکل هيدروژن و... ميباشد. از آنجايي که باتريهاي ليتيوم يون در سطح باالي چگالي انرژي در بين باتريهاي الکتريکي قرار دارند انتخاب مناسبي مي باشد. يکي از مسائل مهم در باتري حالت شارژ (SOC) ميباشد تا از شارژ بيش از حد و کم شارژ شدن باتري جلوگيري کند چرا که موجب کاهش عمر مفيد باتريها ميشود. بخش تبديل توان ماهواره شامل مبدل هاي dc-dc ميباشند. براي اينکه بتوان حداکثر توان را از سلول خورشيدي به بار انتقال در اين جا براي هر دو مبدل باک و بوست شبيهسازي کرديم. داد نياز است مبدلي که داراي بازده بااليي ميباشد را انتخاب کرد. که ما وقتي طراحي اوليه انجام شد سيستم توان ماهواره که شامل سه قسمت است بايد به طور همزمان مورد آزمايش قرار گيرد. چون سناريوهاي مختلفي براي بار و توليد توان وجود دارد پس ما به يک شبيهساز نياز داريم که بتواند عملکرد هم زمان هر سه قسمت را شبيهسازي کند به همين علت ما مدلهاي متداول براي هر قسمت را در شبيهساز جايگذاري کرديم که بتوانيم سناريوها و بارهاي مختلف را شبيهسازي کنيم. واژههای کلیدی: سلول خورشيدي ميکروماهواره رديابي حداکثر توان مبدلDc-Dc باتري ليتيوم يون

مقدمه امروزه با توجه به عملکرد مناسب ماهوارههاي کوچک و طراحي ساخت وپرتاب آنها توسط بسياري از کشورها ايجاد و توسعه علوم و تکنولوژي فضايي کار دشوار و دور از دسترسي نبوده و تنها منحصر به کشورهاي بزرگ و ثروتمند جهان نميباشد. بديهي است که با توجه به هزينه نسبتا کم طراحي ساخت و پرتاب ماهوارههاي کوچک روند توسعه و پيشرفت آنها ادامه خواهد داشت و ايجاد بستر مناسب علمي راهاندازي آزمايشگاههاي تحقيقاتي فضايي و تربيت نيروي انساني متخصص در دستور کار بسياري از کشورهاي در حال توسعه قرار خواهد گرفت.[ 1 ] اصوال ماهواره ها از شش سيستم اصلي شامل: انرژي الکتريکي مخابرات کنترل وضعيت کنترل حرارت سازه و کامپيوتر مرکزي تشکيل ميشوند. اگرچه ما در اينجا فقط به بخش انرژي الکتريکي ماهواره ميپردازيم. متن مقاله اجزاء سیستم انرژی الکتریکی ماهواره 1- سيستم انرژي الکتريکي يک ماهواره را ميتوان به سه قسمت اصلي زير تقسيم کرد: سيستم توليد انرژي سيستم کنترل و تنظيم توان سيستم ذخيره انرژي 1-1 سیستم تولید انرژی انرژي خورشيدي از جمله انرژيهاي تجديدپذير ميباشد که به علت سهولت دسترسي به آن در خارج از جو زمين کاربردهاي فراواني را در سيستمهاي ماهوارهاي به خود اختصاص داده است. همچنين به علت مسائل و مشکالت زيست محيطي و محدوديتهاي آشکار و پنهان ساير منابع انرژي جذابيت آن به صورت چشمگيري در صنايع ديگر روبه افزايش ميباشد. به دليل امکان تبديل مستقيم انرژي خورشيدي به انرژي الکتريکي و مزاياي ديگر نظير وزن کم و مبدلهاي فتوولتائيک 1 امکانات نصب در قدرتهاي کوچک جزء تجهيزات مورد توجه در زمينه استفاده از انرژيهاي نو ميباشند ولي در مقايسه با ساير مبدلهاي انرژي الکتريکي قيمت بيشتري دارند.بنابراين الزم است که همواره شرايطي فراهم شود که از اين مبدلها حداکثر انرژي جذب شود تا استفاده بهينه از سيستم صورت گيرد. بررسي مشخصههاي سيستم فتوولتائيک نشان ميدهد که مشخصه p-v و i-v آن يک مشخصه کامال غيرخطي است و توان توليدي اين سيستمها به عوامل اصلي شدت تابش دما و اندازه بار متصل شده به آن بستگي دارد که در آن تابش و دماي سلول خورشيدي با زمان تغيير ميکند پس نقطه حداکثر توان نيز تغيير ميکند. روشهاي مختلفي براي رديابي نقطه حداکثر توان وجود دارد که ما به بررسي روش اختالل و مشاهده 2 خواهيم پرداخت. براي جذب توان حداکثر از PV بايستي تطبيق امپدانس بار از ديد منبع فتوولتائياک صورت بگيرد که اين اقدام توسط مبدلهاي DC/DC انجام ميشود.[ 9-13 ] 1 Photovoltaic 2 P&O

آيد: 1 مدار معادل يک سلول خورشيدي را نشان ميدهد. يک پنل خورشيدي از چندين سلول فتوولتائيک که داراي اتصال بيروني سري يا موازي و يا سري-موازي تشکيل شده است. با در نظر گرفتن پارامترهاي 1 مشخصه پنل خورشيدي به دست مي- )1( مدار معادل الکتریکی سلول خورشیدی pv ph o [ K (T 298)]* /1000 ph scr i )1( )2( که ph جريان توليد شده از نور تابشي T دماي ماژول λ شدت تابش و scr جريان اتصال کوتاه ماژول در دماي 22 درجه سانتي K 1111 w/m 2 ضريب نسبت جريان اتصال کوتاه به دما مي باشد. گراد و شدت تابش جريان اشباع معکوس برابر است با: rs scr qvoc / [exp( ) 1] N KAT s )3( جريان اشباع برابر است با: o rs T q* E 3 go 1 1 ( ) exp[ ( )] T AK T T r r )4( که T r دماي مرجع و برابرK A 292 ضريب ايده آل که مقدار آن برابر 1/6 باند سيليکون و مقدار آن K 1/1ev جريان خروجي سلول خورشيدي برابر است با: N p و N s ثابت بولتزمن و مقدار آن 10*1.38 23- j/k ميباشد. نعداد سلولهاي سري و موازي E go فاصله q *( Vpv pvrs ) pv N p* ph N p * o[exp{ } 1] N AKT s )2(

که R s V oc V= pv وsh R به ترتيب مقاومتهاي معادل سري و موازي پنل خورشيدي ميباشند که به دليل بزرگ بودن R sh از آن صرفنظر ميکنيم. 2-1 سیستم کنترل و تنطیم توان هنگامي که يک پانل خورشيدي در معرض تابش خورشيد قرار ميگيرد و در آن پتانسيلي ايجاد ميشود و باري را تغذيه ميکند هميشه نقطه بارگيري در نقطه توان حداکثر (P max) قرار ندارد و با توجه به قيمت باالي سيستمهاي فتوولتائيک و اهميت ميزان توان توليدي سيستم همواره ضروري است که نقطه کار در نقطه توان حداکثر قرار گيرد تا بيشترين توان ممکن از پانل خورشيدي دريافت گردد اين عمل توسط ردياب نقطه توان حداکثر (MPPT) 3 انجام ميشود. سيستم (MPPT) با تنظيم جريان آرايه و يا ولتاژ آن نقطه کار را به سمت نقطه توان ماکزيمم (MPPT) هدايت ميکند. است.[ 2-6 ] فلوچارت روش مشاهده و دنبال کردن در 2 نشان داده شده (2) فلوچارت الگوریتم تحریک و مشاهده 3 Maximum Power Point Tracking

با توجه به اين موضوع که ولتاژ خروجي يک پانل خورشيدي و نيز باتريها )در صورت استفاده آنها به عنوان ذخيرهکننده انرژي( ثابت نميماند و همچنين سطح ولتاژ مورد نياز در مصرفکنندهها باالست معموال يک مبدل ولتاژ DC-DC به منظور باال بردن سطح ولتاژ و تثبيت آن در يک ولتاژ مرجع مورد استفاده قرار ميگيرد. که ما به بررسي دو نوع مبدل DC-DC پرداخيم: 1-2-1 مبدل کاهنده) Buck ( 3 شماي ساده يک مبدل کاهنده را نشان ميدهد. متوسط ولتاژ خروجي همواره کمتر يا مساوي ولتاژ ورودي ميباشد و اين توسط سيگنال PWM انجام ميشود. هنگام روشن بودن کليد انرژي ورودي به بار منتقل شده و عمل با تغيير سيکل کار مبدل) D ( 4 مقداري از آن نيز در سلف و خازن ذخيره ميگردد. در مدت زمانيکه کليد قطع ميباشد انرژي ذخيره شده در سلف معکوس شده و از طريق ديود به بار منتقل ميشود و خازن نيز نقش تثبيت ولتاژ خروجي را در خالل اين مدت به عهده دارد. وقتيکه تمام انرژي سلف به بار منتقل گرديد خازن در دو سر بار دشارژ گرديده ولتاژ خروجي شروع به کاهش مينمايد و نهايتا کليد مجددا روشن و سيکل قبل دوباره تکرار ميشود. بنابراين: V V o in t t on )6( 1 به طوري که t on زمان اتصال کليد و t دوره تناوب کليدزني ميباشند.[ 7 ] )3( مبدل کاهنده 2-2-1 مبدل بوست) Boost ( 4 شماي ساده يک مبدل افزاينده را نشان ميدهد. متوسط ولتاژ خروجي همواره بيشتر يا حداکثر مساوي ولتاژ ورودي مي- باشد. هنگاميکه کليد وصل ميشود انرژي ورودي از طريق جريان در سلف ذخيره ميشود. در زمان باز شدن کليد ولتاژ دو سر سلف ضمن تغيير پالريته با ولتاژ ورودي جمع و دو سر بار ظاهر ميشود در نتيجه ولتاژ در دو سر بار افزايش يافته و خازن نيز تا اين سطح ولتاژ شارژ ميگردد. در مدت زمانيکه سلف انرژي خود را کامال از دست ميدهد انرژي ذخيره شده در خازن به بار منتقل مي- گردد. بنابراين: V V o in t t off )7( 1 4 Duty Cycle

t on زمان اتصال کليد و t off زمان قطع کليد ميباشند. )4( مبدل افزاینده 3-1 سیستم ذخیره توان براي ميکروماهواره با مدار LEO تعداد دفعات خورشيد گرفتگي در يک روز زياد است وتعداد دفعات شارژ و دشارژ باتريها بسيار زياد ميباشد. از سوي ديگر کاهش حجم و وزن در ميکروماهواره نيز از نيازهاي اصلي است که باعث ميشود باتري با چگالي انرژي حجمي و وزني باال انتخاب شود و از آنجايي با توجه به مقايسات صورت گرفته در مورد باتري Li-on از قبيل چگالي انرژي باال وزن کم نداشتن اثر حافظه در مقايسه با Nicd و NiH 2 و توان انرژي باال انتخاب باتري Li-on براي ماهوارهي مورد نظر مناسبترين گزينه به نظر ميرسد.[ 8 ] شبیه سازی 2 بلوک دياگرام شبيه سازي شده نمايش داده شده است. که شامل قسمتهاي وردودي دما و تابش پنل خورشيدي و دتبال کننده نقطه حداکثر توان مبدل بوست باتري مي باشد. در قسمت پنل خورشيدي و دنبالکننده حداکثر توان از ترکيب آرايه (pv) و (MPPT) که در بلوک MPPT Controller using P & O technique مدل شده است. اين بلوک از نوع Embeded Matlab Function و بر اساس تابع نوشته شده در MFile متلب ميباشد. دو مقدار دما و تابش به صورت ورودي به سيستم پنل خورشيدي اعمال ميشود قسمت پنل خورشيدي بر اساس معادالت بيان شده شبيه سازي شده است. با توجه به الگوريتم دنبال کننده نقطه حداکثر توان دو خروجي ماکزيمم جريان و ماکزيمم ولتاژ بدست ميآيد. منحني -V و P-V براي دما 22 درجه سانتي گراد و شدت تابش 1111 w/m 2 در نظر گرفته شده است:

)5( بلوک دیاگرام شبیه سازی شده )6( -منحنی -V )7( منحنی P-V

قسمت دنبالکننده حداکثر توان به منظور دريافت بيشترين توان ممکن از سلول خورشيدي استفاده ميشود سلول خورشيدي وقتي داراي بيشترين بازده ميباشد که در نقطه حداکثر توان کار کند اما به خاطر عواملي نميتواند بدون کنترل در اين نقطه کار کند. توان توليد شده به وسيله سلول خورشيدي به عوامل اصلي تابش دماي سلول خورشيدي و اندازه بار متصل شده به آن بستگي دارد که در آن تابش و دماي سلول خورشيدي با زمان تغيير ميکند پس نقطه حداکثر توان نيز تغيير ميکند. با استفاده از الگوريتم دنبالکننده نقطه حداکثر توان ميتوان تقريبا %21 توان دريافتي را افزايش داد. ما در اينجا از روش P&O بهره گرفتيم. 2 توان خروجي را نشان ميدهد. )8( منحنی p با ردیابی حداکثر توان نتایج در اين پايان نامه توانستيم يک سيستم جامع براي ماهواره طراحي کنيم که هر سه بخش توليد کنترل و ذخيره را شبيه سازي کند. که بتواند با تغيير دما و تابش حداکثر توان را دريافت کند و آن را براي انجام ماموريت و شارژ باتري مصرف کند و در مواقعي که در حالت خورشيدگرفتگي قرار مي گيرد از انرژي دخيره شده در باتري استفاده کند. تشکر و قدردانی اگرچه تشکر و سپاس تنها مخصوص خداوند است اما همواره تشکر از مخلوق به نوعي تشکر از خالق است پس همينجا بر خود الزم مي دانم که از زحمات و راهنماييه يا کساني که من را در امر اين پايان نامه ياري کرده اندکمال تشکر را دارم. بي دريق استاد ارجمند جناب دکتر ميرطاليي تشکري خاص داشته باشم همچنين از همه مراجع [1] R.J.Wai, W.H.Wang, C.Y.Lin, High-performance stand-alone photovoltaic generation system, EEE Trans. nd. Electron., vol. 55, no.1, pp. 240 250, Jan. 2008. [2] J. J. Schoeman and J. D. Van Wyk, "A simplified maximal power controller for terrestrial photovoltaic panel arrays," in Proc. 13 th Annu. EEE Power Electron. Spec. Conf., pp. 361-367, Jun.1982.

[3] J. H. R. Enslin, M. S. Wolf, D. B. Snyman, and W. Swiegers, "ntegrated photovoltaic maximum power point tracking converter," [4] N.Mutoh, T.Matuo. "Prediction-data-based maximum power point racking for photovoltaic power eneration system", n Proc. 3rd Anu. EEE Power Electron, Spec. Conf., p. 1489-1494, 202. [5] S. Yuvarajan & S. Xu, "Photo-voltaic power converter with a simple maximumpowerpoint-tracker," in Proc. 203 nt. Symp. Circuits Syst., p. 39 402, 203. [6] Vladimir V. R. Scarpa & Simone Buso & Giorgio Spiazi", Low-Complexity MPT Technique Exploitng the PV Module MP Locus Characterization", EEE transactions on industrial electronics, Vol. 56, p. 1531-538, May 209 [7] J.Mahdavi, A.Emadi, H.A.Toliyat, Application of State Space Averaging Method to Sliding Mode Control of PWM DC/DC Converters, EEE ndustry Applications Society October 1997. [8] W.X. Shen, C.C. Chan, E.W.C. Lo, K.T. Chau, "A new battery available capacity indicator for electric vehicles using neural network", Energy Conversion and Management, No. 43, pp. 817-826, 2002. [9] Piegari L, Rizzo R. Adaptive perturb and observe algorithm for photovoltaic maximum power point tracking. Renew Power Generation, ET 2010; 4:317 28. [10] Bangyin Liu, Shanxu Duan, Fei Liu, and Pengwei Xu, Analysis and improvement of maximum power point tracking algorithm based on incremental conductance method for photovoltaic array, PEDS 2007, EEE pp.637~641. [11] Mamarelis E, Petrone G, Spagnuolo G. A two-steps algorithm improving the P&O steady state MPPT efficiency. Appl Energy 2014; 113:414 21. [12] Piegari L, Rizzo R. Adaptive perturb and observe algorithm for photovoltaic maximum power point tracking. Renew Power Generation, ET 2010; 4:317 28. [13] E. Bianconi, J. Calvente, R. Giral, E. Mamarelis, G. Petrone, C. A. Ramos-Paja, G. Spagnuolo, and M. Vitelli, "Perturb and observe MPPT algorithm with a current controller based on the sliding mode," nternational J. of Electrical Power & Energy Systems, vol. 44, no. 1, pp. 346-356, Jan. 2013.