DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE POTENCIA PARA EL PICOSATÉLITE EXPERIMENTAL CUBESAT UD COLOMBIA 1
JAVIER CASTRO AVELLANEDA ALFREDO GRAJALES HENRÍQUEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN TELEMEDICINA GITEM
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE POTENCIA PARA EL PICOSATÉLITE EXPERIMENTAL CUBESAT UD COLOMBIA 1
JAVIER CASTRO AVELLANEDA ALFREDO GRAJALES HENRÍQUEZ
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO
DIRECTOR:
JORGE ENRIQUE SALAMANCA CÉSPEDES MSC.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN TELEMEDICINA GITEM
Nota de Aceptación
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Director del proyecto
Jurado 1
Jurado 2
TABLA DE CONTENIDO
1 MÓDULO DE POTENCIA PARA EL PICOSATÉLITE EXPERIMENTAL CUBESAT UD COLOMBIA 1 ...1
1.1 INTRODUCCIÓN ...1
1.1.1 Introducción al Módulo de Potencia ...1
1.1.2 Introducción al Proyecto CubeSat UD Colombia 1 ...2
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...4
1.3 OBJETIVOS ...5
1.3.1 Objetivo General ...5
1.3.2 Objetivos Específicos ...5
1.4 JUSTIFICACIÓN ...6
1.4.1 Justificación del proyecto CubeSat UD Colombia 1 ...6
1.4.2 Justificación del Módulo de Potencia ...6
1.5 ALCANCES ...8
1.6 LIMITACIONES ...8
2 GENERALIDADES ...9
2.1 LA MISIÓN DEL PICOSATÉLITE EXPERIMENTAL CUBESAT UD COLOMBIA 1 ...9
2.2 ESTADO DEL ARTE ...9
2.2.1 “Sistema de Potencia Fotovoltaica para Equipos Remotos”, SPFV: Augusto Enrique Chaves García ...9
2.2.2 “Análisis con Metodología RUP (Rational Unified Process) e Implementación de un Diseño de una Etapa de Potencia para Picosatélite de Tipo CubeSat”: Andrés Alexander Rodríguez Fonseca y Julieth Paola Rojas Durán. ... 12
2.2.3 “Estudio del Sistema de Celdas Fotovoltaicas para la Implementación de los Paneles Solares del CubeSat UD COLOMBIA 1”, (Módulo Paneles Solares): Clara M. Aguilar y Andrés A. Amaya C. ... 13
2.3 MARCO TEÓRICO ... 15
2.3.1 El Ambiente Espacial ... 15
2.3.2 Descripción del Sistema ... 19
2.4 ESPECIFICACIONES DE DISEÑO ESTÁNDAR CUBESAT ... 38
2.4.1 Características Básicas del Estándar CubeSat Revisión 13 ... 39
2.4.2 Requisitos Generales ... 39
2.4.4 Requisitos Eléctricos ... 40
2.4.5 Requisitos Operacionales ... 40
2.4.6 Requisitos de Pruebas... 41
2.4.7 P-Pod: Poly-Picosatellite Orbital Deployer ... 41
3 ANÁLISIS DEL SISTEMA DE GESTIÓN DE ENERGÍA ... 42
3.1 SISTEMAS DE POTENCIA ELÉCTRICA EN SATÉLITES ... 42
3.2 ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE COMPONENTES ... 43
3.2.1 Reguladores en el Módulo De Potencia: Convertidores DC-DC ... 43
3.2.2 Disponibilidad Energética. ... 44
3.2.3 Consumo de Energía ... 48
3.2.4 Subsistema de Almacenamiento ... 49
3.2.5 Subsistema de Generación y Acondicionamiento de la Energía ... 59
3.2.6 Subsistema de Regulación. ... 65
3.2.7 Subsistema de Distribución y Protección. ... 71
3.2.8 Esquema Final ... 72
4 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE HARDWARE ... 73
4.1 ESPECIFICACIONES MECÁNICAS Y ELÉCTRICAS ... 73
4.2 DISTRIBUCIÓN DE PINES ... 76
4.3 ALTIUM DESIGNER ... 77
4.4 TARJETAS DE EVALUACIÓN. ... 79
4.5 MÓDULO DE POTENCIA VERSIÓN 1 ... 84
4.6 SET DE BATERÍAS VERSIÓN 1. ... 88
4.7 EPS VERSION 3 ... 89
4.7.1 Cambios al Módulo de Potencia de la versión 1 a la versión 3 ... 89
4.7.2 MODULO DE POTENCIA FINAL: VERSION 3 ... 96
4.8 SET DE BATERÍAS VERSIÓN 3 ... 100
4.8.1 Señales Presentes en el Set de Baterías ... 100
4.8.2 Baterías y Calentadores de Baterías. ... 100
4.8.3 Características de la PCB y el Set de Baterías. ... 100
5 DESARROLLO DE SOFTWARE ... 105
5.1 REQUERIMIENTOS DE LA EPS. ... 105
5.2 MODOS DE OPERACIÓN ... 108
5.2.1 Despliegue y Recuperación (S0) ... 108
5.2.2 Modo de Operación Normal (S1) ... 109
5.2.3 Modo de Recarga (S2) ... 109
5.2.4 Registro de Estados de la EPS ... 109
5.3 I2C: INTER-INTEGRATED CIRCUIT ... 112
6 PRUEBAS Y RESULTADOS ... 114
6.1 TARJETAS DE EVALUACIÓN ... 114
6.2 PRUEBAS MÓDULO DE POTENCIA VERSIÓN 1 ... 114
6.3 PRUEBAS FINALES MÓDULO DE POTENCIA VERSIÓN 3 ... 116
6.3.1 Pruebas Mecánicas ... 116
6.3.2 Pruebas Eléctricas ... 118
6.3.3 Pruebas Software ... 131
7 CONCLUSIONES FINALES ... 132
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 134 ANEXO 1 DOCUMENTOS ANEXOS EN FORMATO DIGITAL 137 ANEXO 2 SIGLAS, ACRÓNIMOS, ABREVIATURAS 138 ANEXO 3 LISTA RESUMIDA LISTA COMPONENTES MODULO DE POTENCIA 140
ANEXO 4 DISTRIBUCION PINES MODULO DE POTENCIA CONECTOR PC104 142 ANEXO 5 HOJA DE ESPECIFICACIONES CELDA SOLAR AZURSPACE 3G-28% 143 ANEXO 6 HOJA DE ESPECIFICACIONES PANELES SOLARES SEQUOIA SPACE 144 ANEXO 7 HOJA DE ESPECIFICACIONES BATERIAS DANIONICS 147 ANEXO 8 HOJA DE ESPECIFICACIONES CALENTADOR BATERIAS 150 ANEXO 9 CODIGO COMPUTACIONAL ON-OFF IC's MODULO DE POTENCIA 151
1 MÓDULO DE POTENCIA PARA EL PICOSATÉLITE EXPERIMENTAL CUBESAT UDCOLOMBIA 1
1.1 INTRODUCCIÓN
1.1.1 Introducción al Módulo de Potencia
Los resultados del proyecto de investigación contenidos en este documento tratan del diseño y la implementación de un Módulo de Potencia funcional para el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 11. El documento será una referencia para trabajos futuros, o para el mejoramiento de este sistema de potencia.
El Módulo de Potencia, también conocido como Sistema de Potencia Eléctrica o por sus siglas en inglés EPS (Electric Power System) es uno de los subsistemas2 que integran el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 y es el encargado de proporcionar la energía eléctrica necesaria para el correcto funcionamiento del picosatélite en el espacio exterior.
La función del Módulo de Potencia es acondicionar la energía proveniente de un sistema de paneles solares y transferir esa energía para el suministro de potencia eléctrica que requieren los diferentes subsistemas del satélite, almacenando la energía sobrante en un sistema de almacenamiento (baterías), haciendo gestión sobre dicha energía y previendo fallos o eventos al normal funcionamiento del picosatélite.
El desarrollo del presente trabajo, parte de tres trabajos de grado previos desarrollados en el Grupo de Investigaciones en Telemedicina (GITEM) en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. El primero de ellos realizado por el ingeniero Augusto Enrique Chaves García en el cual hace un estudio y plantea un primer diseño de un Módulo de Potencia partiendo de un análisis de los requerimientos energéticos y del consumo estimado para un picosatélite y proponiendo al final un diseño para los diferentes bloques funcionales del Módulo de Potencia. El segundo trabajo es la implementación y pruebas del diseño planteado por Chaves y que es llevado a cabo por los ingenieros Andrés Alexander Rodríguez Fonseca y Julieth Paola Rojas Durán quienes además proporcionan un software para el cálculo de disponibilidad energética. Y el tercer trabajo es un estudio de los paneles solares llevado a cabo por Clara Milena Aguilar Pirachicán y Andrés Augusto Amaya Camargo, en donde proponen el prototipo de arreglo de celdas solares más conveniente para la misión; como resultado de este último trabajo se implementaron los paneles solares finales.
El Módulo de Potencia para el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 toma como referencia otros picosatélites tipo CubeSat hechos en otros lugares en el mundo, y en el caso colombiano, el picosatélite Libertad 1 enviado al espacio por la Universidad Sergio Arboleda3.
1 El picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 es un proyecto de investigación aeroespacial desarrollado en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por el grupo de investigación GITEM (Grupo de Investigación en Telemedicina).
2 Los subsistemas de un satélite, también se les denomina simplemente sistemas o módulos de un satélite. Los subsistemas o módulos que dependen de la potencia eléctrica que les suministra la EPS también se les denomina USUARIOS.
1.1.2 Introducción al Proyecto CubeSat UD Colombia 1
El Módulo de Potencia forma parte de un proyecto mayor: el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1, el cual es un proyecto desarrollado por el Grupo de Investigación en Telemedicina (GITEM) de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, y cuya misión es la de evaluar el comportamiento de un sistema de Tele-cardiología vía satélite entre las ciudades de Bogotá y Neiva utilizando la Internet y las Comunicaciones Espaciales. La meta ideal del proyecto del picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 es el de su lanzamiento al espacio exterior y el éxito en su funcionamiento.
El picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 se desarrolla a partir de un estándar para picosatélites llamado CubeSat4, que es un estándar desarrollado por la Universidad Estatal Politécnica de California, ubicada en la ciudad de San Luis Obispo y por el Laboratorio de Desarrollo de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stanford y está concebido para crear facilidades y oportunidades de lanzamiento al espacio para las universidades que antes no podían acceder a este tipo de tecnologías.
El estándar CubeSat está enfocado a picosatélites y limita el espacio físico para una unidad básica denominada 1U, que es un cubo de 10 cm de arista y a un peso máximo de 1,33 kg5. La Unidad básica se puede escalar hasta 3.5U.
El proyecto del picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 debido a la complejidad en su desarrollo se fracciona en diferentes grupos de trabajo asignando a cada uno diferentes subsistemas del picosatélite tanto para el segmento terrestre como para el segmento espacial.
A grandes rasgos los subsistemas que conforman el picosatélite se agrupan en dos segmentos, el segmento espacial, y el segmento terrestre, y son:
Módulo de Misión
Módulo de Estación Terrena Módulo de Datos y Control Módulo de Comunicaciones Módulo de Control de Actitud Módulo de Paneles Solares Módulo de Potencia Módulo de Integración
El proyecto del picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 le permitirá a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas entrar en el sector aeroespacial contribuyendo académicamente con su esfuerzo al desarrollo de aplicaciones espaciales en Colombia, formando la experticia de los estudiantes en ese ámbito y en proyectos tecnológicos de punta, mediante el proceso de desarrollo
de un satélite, dejando así una base de conocimientos para futuros grupos de investigaciones y de aplicación en Colombia.
Para el desarrollo del proyecto del picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 se cuenta con un kit básico de trabajo de la empresa PUMPKIN INC6. Este kit proporciona la estructura, una tarjeta de desarrollo y el módulo de vuelo basado en un procesador de 16 bits. Este sistema utiliza un estándar de bus similar al PC/104 que permite la conexión o integración de los diferentes módulos entre sí.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La radiación solar es la fuente principal de energía en el espacio exterior. La mayoría de los satélites aprovechan esta energía “inagotable” y la usan para convertirla en otras formas de energía. Así es posible obtener energía eléctrica a partir de la energía solar a través de módulos llamados paneles solares. Los paneles solares transforman la energía solar en energía eléctrica a través de celdas fotovoltaicas. La energía eléctrica obtenida es suministrada entonces al Módulo de Potencia que debe asegurar el continuo suministro de la energía al satélite.
El Módulo de Potencia debe acondicionar la energía eléctrica entregada por los paneles solares, transferirla y distribuirla a los diferentes subsistemas del satélite durante todo el tiempo de acuerdo a las necesidades de consumo de los subsistemas. No todos los sistemas en un satélite trabajan todo el tiempo, ni al mismo tiempo, por la tanto hay que gestionar, y administrar la energía para optimizarla dentro de los límites de tolerancia y niveles posibles para alargar la vida útil del satélite.
Como los satélites generalmente se diseñan para evitar la falta de energía durante eclipses (esto ocurre al obstruir La Tierra, la radiación solar hacia el satélite) se requiere contar con energía almacenada en baterías y así asegurar la continuidad del servicio, entonces el Módulo de Potencia debe ser capaz de seleccionar la fuente para el suministro de energía.
El Módulo de Potencia debe asegurar los niveles de voltaje y corriente requeridos por los diferentes módulos del satélite hasta en los escenarios de operación más críticos y en las condiciones más adversas. También generalmente estos subsistemas trabajan con potencia DC, y lo que se hace es una conversión con reguladores DC/DC, reductores y/o elevadores.
Teniendo en cuenta que el espacio exterior es el medio en que trabaja el satélite. El Módulo de Potencia debe prevenir fallos y tomar decisiones si ocurren eventos críticos y por lo tanto la tecnología utilizada debe tener características especiales, diferentes a los elementos utilizados en La Tierra. Por eso hay que investigar las tecnologías disponibles en el mercado.
Este proyecto desarrollara un módulo funcional de suministro de potencia para el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1. Esto implica llevar a cabo el diseño y la implementación de un prototipo, su validación y su implementación final.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo General
Diseñar e implementar el Módulo de Potencia para el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1.
1.3.2 Objetivos Específicos
- Revisar trabajos previos de Sistemas de Potencia Eléctrica en otros picosatélites tipo CubeSat desarrollados en la Universidad Distrital y en otros lugares en el mundo.
- Diseñar el Módulo de Potencia a partir de la validación de las etapas de circuito o bloques constituyentes de un sistema de potencia eléctrica.
- Implementar un Módulo de Potencia prototipo para pruebas.
- Realizar pruebas y validar diseño del Módulo de Potencia.
1.4 JUSTIFICACIÓN
1.4.1 Justificación del proyecto CubeSat UD Colombia 1
El espacio exterior es un recurso estratégico valioso y está disponible para que el país lo aproveche, mediante el desarrollo de sus propios satélites funcionales para que cumplan determinadas misiones. Las diferentes aplicaciones en satélites van desde lo académico, lo científico, hasta la medicina, las comunicaciones, la meteorología, la geo-localización, la elaboración de mapas o en el ámbito militar, por citar algunas áreas de interés. Tales aplicaciones satelitales han cobrado mayor importancia en el mundo de hoy y tendrán más importancia en el futuro, porque desempeñan funciones fundamentales para la sociedad, y tiene influencia sobre la vida del hombre.
Es por lo anterior que la Universidad Distrital Francisco José de Caldas a través del Grupo de Investigación en Telemedicina GITEM desarrolla el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1, que busca entre otros los siguientes propósitos: una misión enfocada a una aplicación en telemedicina que usa las telecomunicaciones como forma de monitorizar señales biológicas en tiempo real con conexión a la internet; permite incorporar conocimiento y experticia en ciencias y tecnologías espaciales, reduciendo costos en futuros proyectos, dejando la base a futuros trabajos de estudiantes; demuestra que se puede diseñar, implementar y controlar satélites propios reduciendo la intervención de terceras partes. Permite trabajar con tecnología de punta lo que pude contribuir a visibilizar nuevas tecnologías. Facilita el intercambio de conocimiento con otras universidades del mundo, entablar contactos y porque no iniciar una carrera aeroespacial en la universidad en alianza con otros entes del estado.
El trabajo de diferentes grupos en el desarrollo de cada uno de los distintos módulos que conforman este picosatélite, ese es el punto de partida que permitirá luego escalar a satélites más grandes con distintas cargas útiles.
1.4.2 Justificación del Módulo de Potencia
El Módulo de Potencia es un elemento clave en cualquier satélite, su función es la de asegurar el constante suministro de energía eléctrica para el funcionamiento de los demás subsistemas del satélite, a partir de una “inagotable” fuente de energía en el espacio exterior: la radiación solar.
El desarrollo de un Módulo de Potencia para un picosatélite permitiría su uso escalando a satélites más grandes, y en vez de comprar los módulos de energía ya fabricados, comerciales, se desarrolla los diseños propios, se configurar a las necesidades propias de cada misión, eso se traduce en reducción de costos ya que su diseño puede ser mejorado continuamente y utilizado en sucesivas misiones de picosatélites
tecnología, de alta integración, permite formarse en áreas como aprendizaje de software de diseño avanzado de circuitos, técnicas de fabricación de PCB y de ensamble de componentes de montaje superficial.
Esta tecnología es importante porque el diseño del Módulo de Potencia del picosatélite se puede llevar a aplicaciones terrestres que requieren de un suministro de energía constante a partir de la energía solar, como por ejemplo las redes de sensores remotos y las comunicaciones remotas.
1.5 ALCANCES
El alcance del presente proyecto es la entrega de un Módulo de Potencia para el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1, que sea funcional en el espacio exterior, siguiendo las especificaciones y requerimientos tanto del estándar CubeSat como de la Misión. El propósito del Módulo de Potencia es suplir los requerimientos de consumo pico y promedio energético del picosatélite a lo largo de su vida útil.
Se hace entrega además del Módulo de Potencia, el libro, un artículo para publicación, y un cd con toda la información.
1.6 LIMITACIONES
Las pruebas al Módulo de Potencia se limitarán a las pruebas eléctricas, no se realizarán pruebas térmicas, ni de vacío, o de vibración porque no se cuenta con esos equipos en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
La gestión de energía no implica necesariamente la incorporación de un microprocesador en el Módulo de Potencia.
El diseño del Módulo de Potencia está limitado al avance y disponibilidad de la información de otros módulos del picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1, si no existe esa información hay que estimarla con base en otros picosatélites CubeSat en el mundo.
2 GENERALIDADES
2.1 LA MISIÓN DEL PICOSATÉLITE EXPERIMENTAL CUBESAT UDCOLOMBIA 1
La misión del picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1 es la de evaluar el comportamiento de un sistema de telecardiología vía satélite e Internet entre Bogotá, Neiva, Tunja y Florencia, a partir del diseño y la implementación de una plataforma de satélite7.
El sistema de telecardiología está compuesto por la adquisición de datos, y compresión y control de error, tal como se muestra en la figura 2-1. Se envían datos comprimidos vía internet a una estación terrena remota, los datos son enviados al picosatélite, para ser retransmitidos a otra estación terrena remota, finalmente vía internet, llegan al hospital principal donde hay un especialista médico, para su respectivo análisis y diagnóstico.
CUBESAT_UD
INTERFAZ
PACIENTE ESPECIALISTA
º
ECG
Figura 2-1 Sistema de Telecardiología.
Fuente: Proyecto CubeSat UD: Telemedicina y Telemetría, (Aparicio 2007).
Desde el punto de vista del Módulo de Potencia el sistema de telecomunicaciones sobre el que basa la misión se concentra en el Módulo de Comunicaciones del segmento espacial (picosatélite). Y el Modulo de OBC donde se manejan los datos.
2.2 ESTADO DEL ARTE
En el desarrollo del proyecto del picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1, tres han sido los trabajos de grado previos relacionados directamente con el Módulo de Potencia. En este apartado se hará un resumen de ellos.
2.2.1 “Sistema de Potencia Fotovoltaica para Equipos Remotos”, SPFV: Augusto Enrique Chaves García
En este trabajo de grado8 se propone un primer diseño del Módulo de Potencia para el picosatélite de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, comprende los siguientes temas secuenciales:
7 Proyecto CubeSat UD: Telemedicina y Telemetría, (Aparicio 2007).
un estudio sobre la operación de satélites en órbita LEO (Low Earth Orbit)9 incluyendo el ambiente espacial, un estudio de los requerimientos del picosatélite haciendo una estimación de la captación de energía para diferentes orbitas LEO así como consumos estimados para un picosatélite de este tipo, un estudio sobre los sistemas fotovoltaicos. Con base en estos estudios Chaves hace un análisis y posterior diseño teórico de las etapas del Módulo de Potencia para el picosatélite experimental CubeSat UD. El diagrama de bloques definitivo de este primer diseño del Módulo de Potencia y propuesto por Chaves se muestra en la figura 2-2.
Figura 2-2 Diagrama de Boques definitivo de SPFV Chaves.
Fuente: Chaves, Augusto. Sistema de potencia fotovoltaica para equipos remotos.2008.
Chaves propone la utilización de cinco paneles solares, conectados todos en paralelo, ubicados en las caras del picosatélite. La energía proveniente de los paneles solares se utiliza como fuente primaria que de forma independiente alimenta por un lado los buses regulados y por el otro alimenta la carga de unas baterías (la fuente secundaria), compuesto por dos baterías de Li-Ion de celda única configuradas en paralelo. Cada batería cuenta con un circuito integrado encargado de la gestión de carga y protección de la batería. Un selector llamado ‘de fuente primaria’ selecciona o el suministro de potencia eléctrica proveniente de los paneles, o, del suministro proveniente del banco de batería; este selector de fuente primaria alimenta a un regulador para el bus de 3,3 V y a un regulador para el bus de 5,0 V. Para hacer la distribución y protección emplea interruptores de usuario que actúan automáticamente ante eventos de sobreconsumo, sobrevoltaje o sobretemperatura. Finalmente Chaves resalta la utilización de un microcontrolador MSP430 de Texas Instruments, ubicado en el Módulo de Vuelo (OBC: On-Board Computer) que de forma centralizada maneje las señales de estado y control del Módulo de Potencia, además del monitoreo de la carga y descarga de las baterías.
A continuación se muestra cada uno de los circuitos propuestos en las diferentes etapas diseñadas por Chaves. En la figura 2-3 se muestra el cargador de batería de Li-Ion BQ24010.
Figura 2-3 Diagrama esquemático para el cargador de batería.
Fuente: Chaves, Augusto. Sistema de potencia fotovoltaica para equipos remotos.2008.
En la figura 2-4 se muestra el selector de fuente primaria TPS211X que selecciona de manera automática entre la energía proveniente de los paneles solares o del banco de baterías, medinte un multiplexor de 2 a 1.
Figura 2-4 Diagrama esquemático para el selector de fuente primaria. Fuente: Chaves, Augusto. Sistema de potencia fotovoltaica para equipos remotos.2008.
Figura 2-5 Regulador de Bus de 5,0 V.
Fuente: Chaves, Augusto. Sistema de potencia fotovoltaica para equipos remotos.2008.
Figura 2-6 Regulador de Bus de 3,3 V.
Fuente: Chaves, Augusto. Sistema de potencia fotovoltaica para equipos remotos.2008.
El Módulo de Potencia de Chaves es controlado y monitoreado directamente por el microcontrolador en el Módulo de Vuelo del picosatélite (OBC). El microcontrolador utilizado es un MFP430F1612
2.2.2 “Análisis con Metodología RUP (Rational Unified Process) e Implementación de un Diseño de una Etapa de Potencia para Picosatélite de Tipo CubeSat”: Andrés Alexander Rodríguez Fonseca y Julieth Paola Rojas Durán.
En este trabajo de grado10 mediante un método de análisis denominado RUP se implementa el Módulo de Potencia diseñado por Augusto Chaves. El trabajo hace además un aporte de un software básico para el cálculo de la potencia que se puede extraer de los paneles solares bajo ciertas características de paneles y ciertas condiciones de iluminación, y un software para el cálculo de la viabilidad de la transmisión de un picosatélite que solo depende de la energía entregada por sus paneles.
En la figura 2-7 se muestra la tarjeta del Módulo de Potencia implementada, sobre la cual se realizan varias pruebas eléctricas en laboratorio. En la parte izquierda se muestra la tabla describiendo las diferentes etapas y componentes. Al lado derecho muestra la imagen del Módulo de Potencia.
Figura 2-7 EPS desarrollada por Andrés Rodríguez y Julieth Rojas.
Fuente: Rodríguez, Andrés; Rojas, Julieth. Análisis con Metodología RUP (Rational Unified Process) e Implementación de un Diseño de una Etapa de Potencia para Picosatélite de Tipo CubeSat. 2011.
Esta tarjeta es para pruebas en laboratorio, de ningún modo para ser usada en el espacio puesto que no cumple con los requisitos exigidos. Las pruebas eléctricas se realizan sobre cada una de las etapas del Módulo de Potencia y sobre todo el Modulo completo. Algunos resultados negativos de las pruebas eléctricas mostraron que el Modulo de Potencia presento un rizado alto en las líneas de bus a la salida de los interruptores de usuario, en uno de ellos un nivel voltaje DC es mucho mayor a lo esperado. Se tienen problemas con el selector de fuente primaria que en definitiva no funciono. Y el Modulo de Potencia no entrega la potencia necesaria requerida por un picosatélite tipo CubeSat.
2.2.3 “Estudio del Sistema de Celdas Fotovoltaicas para la Implementación de los Paneles Solares del CubeSat UD COLOMBIA 1”, (Módulo Paneles Solares): Clara M. Aguilar y Andrés A. Amaya C.
Clara Aguilar y Andrés Amaya11 proponen el prototipo para el arreglo de celdas fotovoltaicas más conveniente para su utilización en los paneles solares del picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1, con base en un estudio de celdas disponibles en el mercado. El resultado de este trabajo son paneles solares no desplegables y que están montados en las caras de un picosatélite tipo CubeSat de tamaño 1U.
El modelo utilizado por ellos para el diseño de los paneles solares se basa en fuentes de corriente, ya que tiene similitudes en la forma como las celdas fotovoltaicas convierten la energía solar en energía eléctrica. El voltaje proporcionado en cada celda fotovoltaica tiende a ser estable en la salida, con variaciones en la corriente de celda que es proporcional a la energía recibida por esta.
11AGUILAR PIRACHICÁN Clara Milena y AMAYA CAMARGO Andrés Augusto. Estudio del Sistema de Celdas Fotovoltaicas para la Implementación de los Paneles Solares del CubeSat Colombia 1. Bogotá, 2011. Trabajo de Grado (Ingeniero Electrónico). Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Facultad de Ingeniería. Coordinación de Ingeniería Electrónica.
6: BQ24010, es el circuito cargador de una batería de Li-Ion.
1, 2, 3: TPS6013x, circuito regulador para bus de 5.0V.
4, 5: TPS6012x, circuito regulador para bus de 3.3V.
7: TPS2111, es el circuito selector de fuente primaria baterías/paneles solares.
8, 9, 10, 11, 12, 13:
TPS20x2, circuitos de distribución y protección para usuarios.
a: Conector Voltaje baterías.
b: Conector para el NTC de las baterías. c: Conector para los paneles solares. 0: PC104, bus de conexión modular
El diseño de la configuración eléctrica y física de las celdas fotovoltaicas parte de los requerimientos de trabajos previos como el del estudiante Augusto Enrique Chaves García, o trabajos que en ese momento se estaba desarrollando como el del Módulo Estación Terrena y Módulo de Comunicaciones dirigido por el profesor Eduardo Gaona, el Módulo de Actitud dirigido por el profesor Cesar Castellanos, el Modulo de OBC dirigido por los profesores José Paternina y Leonardo Plazas, el Módulo de Potencia dirigido por el profesor Roberto Ferro, profesores vinculados al proyecto.
El resultado final es un arreglo en serie de dos celdas fotovoltaicas en un solo panel, que incluye diodos de Bypass y diodos de bloqueo tal como se muestra en la figura 2-8. Este arreglo proporciona un voltaje estable de salida y una mayor robustez en el funcionamiento en cuanto a eficiencia y fiabilidad.
Figura 2-8 Configuración del panel solar para el picosatélite CubeSat UD Colombia 1.
Fuente: AGUILAR PIRACHICÁN Clara Milena y AMAYA CAMARGO Andrés Augusto. Estudio del Sistema de Celdas Fotovoltaicas para la Implementación de los Paneles Solares del CubeSat Colombia 1.
La celda fotovoltaica seleccionada por Clara Aguilar y Andrés Amaya, es probada y caracterizada. Las pruebas fueron hechas variando iluminación, y temperatura. A partir del estudio, análisis, diseño y resultados de la pruebas de este trabajo de grado se mandan a fábrica/ensamblar los paneles solares a la empresa Sequoia Space con celdas fotovoltaicas fabricadas por AzurSpace.
A continuación en la tabla 2-1 se observa las características de la celda fotovoltaica seleccionada.
Tabla 2-1 Características de la celda fotovoltaica utilizada para los paneles solares.
Empresa Fabricante: AzurSpace12
Referencia/nombre de la celda: 3G28C
Tecnología: Triple Juntura GaAs
CARACTERISTICAS ELECTRICAS
Voltaje promedio en circuito abierto [V] VOC 2,667 Corriente promedio de corto circuito [mA] ISC 506
Voltaje a máxima potencia [V] VPMAX 2,371
Corriente a máxima potencia [mA] IPMAX 487
Eficiencia Promedio [%] 28,0
Factor de degradación (EOL: End of Life) FD 0,9
Estos paneles solares cumplen con el estándar CubeSat, y son completamente compatibles con las estructuras 1U Revisión D de CubeSat Kit. Cada uno de los paneles está diseñado bajo la tecnología de celdas solares AzurSpace 3G28C especialmente diseñada para aplicaciones LEO, además por ser celdas sensibles a la polarización inversa tienen como sistema de protección un diodo by-pass el cual viene integrado a cada celda. Los paneles solares cuentan con un diodo externo al arreglo de celdas de tipo Schottky que actúa como diodo de bloqueo que impide que el par de celdas solares del arreglo se comporte como carga para el sistema de administración de energía EPS. Los paneles solares cuentan con sensores I2C que permiten adquirir datos de temperatura y sensores de luz, siendo estos últimos útiles para el Módulo de Actitud. En la figura 2-9 se muestran los paneles finales del picosatélite.
Figura 2-9 paneles solares para el picosatélite experimental CubeSat UD Colombia 1. Fuente: http://www.sequoiaspace.com/wp-content/uploads/2014/03/paneles_v3.pdf
Características técnicas de cada panel fabricado y ensamblado por la empresa Sequoia Space13:
- Voltaje nominal 1,8 V a 5,33 V - Corriente nominal máxima 506 mA
- 2 Celdas en serie AzurSpace 3G V 28% (28% de eficiencia) - 1 sensor de temperatura con interfaz I2C.
- 1 sensor de luz con interfaz I2C.
- Puertos SDA y SCL para comunicación I2C con el bus CubeSat. - 2 puertos análogos (Voltaje de salida, GND).
- Conector de tipo through-hole para las señales de los paneles solares.
2.3 MARCO TEÓRICO
2.3.1 El Ambiente Espacial
En este apartado se describe el medio ambiente en el que el picosatélite va a operar, y el efecto que tiene sobre el Módulo de Potencia. Es una descripción general y no con base en cálculos detallados.
El ambiente espacial que se describe es para en los momentos durante el lanzamiento y después del despliegue del satélite en órbita.
2.3.1.1 Orbita
El picosatélite será lanzado en la "Órbita Terrestre Baja’’ (LEO: Low Earth Orbit) siguiendo una trayectoria Polar a una velocidad cercana a los 27000 Km/h, con un periodo orbital de entre 90 minutos y 110 minutos, esto es, hace de entre 13 y 16 orbitas por día. La altitud del picosatélite está entre los 600 Km y los 800 km. Como para comparar muy cerca por debajo a esa altitud se encuentra la Estación Espacial Internacional y que orbita a una altitud de alrededor de los 400 Km (Figura 2-10).
Figura 2-10 Tipos de Órbita Terrestre
Fuente: http://omegazenittecnologia.blogspot.com.co/2011/07/tecnologias-de-la-comunicacion.html
Una órbita baja cercana a la superficie de la Tierra, implica una atmosfera más “densa”, por lo que se estima que el picosatélite decaiga lentamente por el rozamiento, hasta desintegrarse en la atmosfera y quemarse por completo en el proceso, por lo que su vida útil esta entre los 8 meses y los 4 años, para la órbita LEO a 600 Km de altitud, la vida útil es dependiente también del diseño interno, de la inclinación de la órbita, la excentricidad de esta y otros factores, como por ejemplo si el pico satélite lleva propulsores.
2.3.1.2 Radiación
En el espacio existen básicamente dos tipos de radiación que afectan al picosatélite. La radiación electromagnética y la radiación de partículas. La mayor parte de esta radiación proviene directamente del sol, pero la radiación cósmica y la radiación de partículas desde el campo magnético de la Tierra también son significativas. La radiación de partículas del campo magnético, es básicamente radiación de partículas del Sol que han sido capturadas en el campo magnético de La Tierra, y se mueve alrededor de La Tierra en cinturones anchos. Debido a que esta radiación está contenida (en su mayoría) en estas bandas, es de poca importancia fuera de ellas.
En órbita LEO, el picosatélite se encuentra por debajo de estos cinturones, que comienzan en alrededor de 1000 km de altitud (Cinturón de Vall Allen).
Ambos tipos de radiación, de partículas y electromagnética, degradan con el tiempo la electrónica. Por esa razón los dispositivos electrónicos usados a bordo tienen unas características y rangos especiales de funcionamiento y han de ser probados en tierra para asegurarse de que son lo suficientemente resistentes para soportar la radiación.
Figura 2-11 Eventos de partículas de alta energía que afectan los circuitos en el espacio - SEU. Fuente: http://parts.jpl.nasa.gov/docs/Radcrs_Final.pdf
2.3.1.3 Temperatura y Presión
A una altitud de 600 kilómetros hay muy poca atmosfera y se puede considerar un “vacío”. Esto implica que los componentes que consisten en materiales volátiles sufrirán de evaporación (desgasificación) y por lo tanto todos los componentes utilizados en el Módulo de Potencia deben ser probados a fondo por su capacidad para soportar el vacío.
Puesto que el Módulo de Potencia estará en un vacío, todo el transporte de calor va a ser por conducción de calor internamente en el picosatélite o por radiación de ese calor, pero no habrá convección. El Módulo de Potencia debe estar construido de manera que la producción de calor sea tan baja como sea posible. El rango de temperatura que el picosatélite debe ser capaz de soportar durante el lanzamiento es de -40 °C a 80 °C y estas son las temperaturas que el picosatélite está expuesto cuando está en la P-POD14.
Las temperaturas en órbita dependerán principalmente del diseño térmico del picosatélite y como no se ha realizado para esta misión, se dependerá de los cálculos de otras universidades que han construido picosatélites CubeSat.
El TIT de Tokio calcula que las temperaturas al exterior del picosatélite en órbita LEO varían de -40 ° C a 80 ° C, y la SSEL de Montana estima que el intervalo de temperatura es de -120 °C a 100 °C.
Aunque hay diferencias en los cálculos de las dos universidades se puede concluir que el picosatélite debe ser capaz de sobrevivir en un ambiente térmico muy hostil, con temperaturas exteriores que cambian bruscamente, sometiendo al picosatélite a ‘estrés’ térmico.
2.3.1.4 Aceleración y Vibraciones
Siempre y cuando el picosatélite está en órbita, no habrá vibraciones inducidas externamente, y la aceleración será menor que en la Tierra. Durante el lanzamiento, sin embargo, habrá tanto fuertes vibraciones y como una potente aceleración.
El picosatélite, y por ende el Módulo de Potencia, tienen que ser capaces de soportar una aceleración de 15 g. Esto en sí no debe tener ningún efecto directo en la mayoría de los componentes electrónicos, pero deben tenerse en cuenta en el diseño global, por ejemplo, evitar componentes altos y pesados que podrían romperse durante la aceleración.
El diseño general también tiene que soportar la vibración causada durante el lanzamiento, y estas pruebas de vibración del picosatélite se hacen antes de ser incorporado al vehículo lanzador (cohete). Una vez más, la mayoría de los componentes por sí mismos son capaces de resistir las vibraciones, pero la utilización de componentes mecánicos, tales como potenciómetros, relés u otros, se debe evitar siempre que sea posible.
2.3.1.5 El efecto del entorno sobre el Módulo de Potencia
Como se ha descrito anteriormente hay unos pocos criterios que deben ser considerados cuando se construye un Módulo de Potencia. Las dos consideraciones más importantes son: la radiación y la temperatura. En cuanto a la temperatura implica que los componentes utilizados en el Módulo de Potencia deben ser como mínimo de grado industrial para ser capaces de soportar las temperaturas extremas en el espacio. Teniendo en cuenta que el efecto de la radiación SEU es la más grave amenaza, el Módulo de Potencia y los componentes deberán ser capaces de soportar el desgaste dentro del tiempo de vida del picosatélite. Esto implica que un método redundante debe ser desarrollado para soportar el SEU.
2.3.2 Descripción del Sistema
Figura 2-12 Detalle funcional para el subsistema de energía de la nave espacial. Fuente: Diseño Propio.
El Sistema de Potencia Eléctrica debe cumplir como mínimo con las siguientes funciones:
Proveer una fuente continua de la corriente eléctrica a las cargas del satélite durante la vida de la misión.
Controlar y distribuir la corriente eléctrica a los diferentes subsistemas.
Cumplir los requerimientos de potencia eléctrica promedio y pico de los usuarios. Proporcionar líneas de bus reguladas en potencia DC.
Proporcionar capacidad de comando y de telemetría para la integridad y estado del sistema de potencia eléctrica, así como control desde la estación terrena o del sistema autónomo.
Proteger la carga útil del satélite contra fallas dentro del sistema de potencia eléctrica. Suprimir los voltajes transitorios en las líneas de bus reguladas y protegerlos contra averías.
Los requisitos de dimensionamiento más importantes son las demandas de energía eléctrica promedio y pico, y el perfil orbital (inclinación y altitud). Se deben identificar los consumos de energía eléctrica para operaciones de la misión a partir del inicio de la vida útil (BOL – Beginning of Life), y al final de su vida útil, (EOL – End of Life).
Para muchas misiones, la demanda de energía al final de su vida útil debe reducirse para compensar la degradación del rendimiento de los paneles solares. La potencia eléctrica promedio necesaria al final de la vida útil determina el tamaño del Módulo de Potencia. Por lo general, se multiplica la potencia media por 2 o 3 para obtener los requisitos de potencia pico para el control de los usuarios, carga útil, sistema térmico y la misma EPS (carga de las baterías). Afortunadamente, todos los sistemas no requieren de potencia máxima a la vez durante la misión.
Los componentes fundamentales considerados para la topología inicial son el panel solar, la batería y el regulador /conversor de voltaje.
Como se observa en la figura 2-13, la configuración básica del sistema del picosatélite basado en energía solar implica el acondicionamiento por parte del Módulo de Potencia de la energía eléctrica proveniente del módulo de los paneles solares, la inclusión de un banco (arreglo) de baterías para almacenar energía eléctrica para momentos de no disponibilidad de energía directamente desde los paneles solares. Finalmente la transferencia de potencia eléctrica desde los paneles solares y/o batería(s) hasta los distintos usuarios.
Sistema de Gestión de Energía
Figura 2-13 Configuración Básica del Módulo de Potencia. Fuente: DISEÑO PROPIO.
2.3.2.1 Celda Fotovoltaica
Figura 2-14 Celdas fotovoltaicas en aplicación espacial.
Fuente:http://web.archive.org/web/20021006001946/http://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/station/artistconcept/html/s97 _10538.html
Una celda fotoeléctrica (figura 2-14 muestra los paneles solares de la ISS construida con base a celdas fotovoltaicas), también llamada fotocelda o celda fotovoltaica, permite transformar la energía lumínica (fotones) o solar en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotoeléctrico, generando energía solar fotovoltaica, a partir de un material que presenta efecto fotoeléctrico, esto es absorbiendo fotones de luz y emitiendo electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
Arseniuro de Galio, que alcanzan eficiencias mayores al 30 %. En laboratorio a la fecha actual se ha superado el 43 % de eficiencia con nuevos paneles experimentales para su uso especial.
La vida útil media a máximo rendimiento en La Tierra se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye por debajo de un valor considerable.
Al grupo o conjunto de celdas fotoeléctricas para suministro energía eléctrica a partir del sol se le conoce como panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos consisten en un arreglo de celdas solares conectadas como circuito en serie para aumentar la tensión de salida hasta el valor deseado a la vez que se conectan varios arreglos como circuito paralelo para aumentar la corriente eléctrica que es capaz de proporcionar el dispositivo.
Principio de funcionamiento:
En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón, creando a la vez un «hueco» en el átomo excitado. Normalmente, el electrón encuentra rápidamente otro hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, por tanto, se disipa en forma de calor. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila.
Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión pn, entre dos capas dopadas respectivamente, p15 y n16. En las células de silicio, que son mayoritariamente utilizadas,
se encuentran por tanto:
La capa superior de la celda, que se compone de silicio dopado de tipo n, hay un número de electrones libres mayor que en una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje n, negativo. El material permanece eléctricamente neutro, ya que tanto los átomos de silicio como los del material dopante son neutros: pero la red cristalina tiene globalmente una mayor presencia de electrones que en una red de silicio puro.
La capa inferior de la celda, que se compone de silicio dopado de tipo p, se tiene una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro. Los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, es eléctricamente neutra pero presenta huecos, positivos (p). La conducción eléctrica está asegurada por estos portadores de carga, que se desplazan por todo el material.
En el momento de la creación de la unión pn, los electrones libres de la capa n entran instantáneamente en la capa p y se recombinan con los huecos en la región p. Existirá así durante toda la vida de la unión, una carga positiva en la región n a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en p a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la «Zona de Carga de Espacio» (ZCE) o "zona de barrera" y existe
un campo eléctrico entre las dos regiones, de n hacia p. Este campo eléctrico hace de la ZCE un diodo, que solo permite el flujo de portadores en una dirección: En ausencia de una fuente de corriente exterior y bajo la sola influencia del campo generado en la ZCE los electrones solo pueden moverse de la región p a la n, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de n hacia p.
En funcionamiento, cuando un fotón arranca un electrón a la matriz, creando un electrón libre y un hueco, bajo el efecto de este campo eléctrico cada uno va en dirección opuesta: los electrones se acumulan en la región n (para convertirse en polo negativo), mientras que los huecos se acumulan en la región dopada p (que se convierte en el polo positivo). Este fenómeno es más eficaz en la ZCE, donde casi no hay portadores de carga (electrones o huecos), ya que son anulados, o en la cercanía inmediata a la ZCE: cuando un fotón crea un par electrón-hueco, se separaron y es improbable que encuentren a su opuesto, pero si la creación tiene lugar en un sitio más alejado de la unión, el electrón (convertido en hueco) mantiene una gran oportunidad para recombinarse antes de llegar a la zona n. Pero la ZCE es necesariamente muy delgada, así que no es útil dar un gran espesor a la celda. Efectivamente, el grosor de la capa n es muy pequeño, ya que esta capa sólo se necesita básicamente para crear la ZCE que hace funcionar la célula. En cambio, el grosor de la capa p es mayor: depende de un compromiso entre la necesidad de minimizar las recombinaciones electrón-hueco, y por el contrario permitir la captación del mayor número de fotones posible, para lo que se requiere cierto espesor mínimo.
En resumen, una célula fotovoltaica es el equivalente de un generador de energía a la que se ha añadido un diodo. Para lograr una célula solar práctica, además es preciso añadir contactos eléctricos (que permitan extraer la energía generada), una capa que proteja la célula pero deje pasar la luz, una capa antireflectante para garantizar la correcta absorción de los fotones, y otros elementos que aumenten la eficiencia de la misma.
Factores de eficiencia de una celda solar:
Punto de máxima potencia
Una celda solar puede operar en un amplio rango de voltajes e intensidades de corriente. Esto puede lograrse variando la resistencia de la carga, en el circuito eléctrico, por una parte, y por la otra variando la irradiación de la celda desde el valor cero (valor de cortocircuito) a valores muy altos (circuito abierto) y se puede determinar el punto de potencia máxima teórica, es decir, el punto que maximiza V (voltaje) y tiempo frente a I (corriente), o lo que es lo mismo, la carga para la cual la celda puede entregar la máxima potencia eléctrica para un determinado nivel de radiación.
Figura 2-15 Rangos de seguimiento de máxima potencia
Eficiencia en la conversión de energía
La eficiencia de una celda solar (η, "eta"), es el porcentaje de potencia convertida en energía eléctrica en relación a la luz solar total absorbida por un panel, cuando una celda solar está conectada a un circuito eléctrico. Este término se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido entre la luz que llega a la celda, irradiancia (E, medida en W/m²), bajo condiciones de prueba estándar (STC: Standard Test Conditions) y el área superficial de la celda solar (Ac en m²).
𝜂 =
𝑃
𝑚
𝐸 × 𝐴
𝑐
( 1 )La STC especifica una temperatura de 25 °C y una irradiancia de 1000 W/m² con una masa de aire espectral de 1,5 (AM 1,5). Esto corresponde a la irradiación y espectro de la luz solar incidente en un día claro sobre una superficie solar inclinada con respecto al sol con un ángulo de 41,81º sobre la horizontal.
Esta condición representa, aproximadamente, la posición del sol de mediodía en los equinoccios de primavera y otoño en los estados continentales de los EEUU con una superficie orientada directamente al sol. De esta manera, bajo estas condiciones una celda solar típica de 100 cm2, y de una eficiencia del 12 %, aproximadamente, se espera que pueda llegar a producir una potencia de 1,2 W.
Factor de llenado
𝐹𝐹 =
𝑃
𝑚
𝑉
𝑂𝐶
× 𝐼
𝑆𝐶
=
𝜂 × 𝐴
𝑐
× 𝐸
𝑉
𝑂𝐶
× 𝐼
𝑆𝐶
( 2 )Figura 2-16 Factor de llenado de celdas fotovoltaicas.
Fuente: http://mehran005.blogspot.com.co/2012/04/pv-solar-cell-simulation.html
2.3.2.2 Banco de Baterías
Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces.
La batería se utiliza para almacenar energía, y se utiliza cuando la energía proveniente de las celdas solares es insuficiente.
Principios de funcionamiento de una batería
Figura 2-17 Funcionamiento de una batería. En la figura se muestra el caso de una batería de Li-Ion. Fuente: http://www.diariomotor.com/tecmovia/2012/03/14/baterias-de-coches-electricos-e-hibridos-hoy-estado-de-la-tecnologia-del-automovil/
Una batería es un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus límites alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito.
La fabricación de las baterías se realiza uniendo en serie y en paralelo diferentes células o celdas electroquímicas hasta alcanzar los requerimientos de intensidad y voltaje. Puesto que el voltaje de cada celda, típicamente de alrededor de entre 1,5 V a 4,2 V, depende únicamente de la electroquímica, es decir, del tipo de batería, los requisitos de voltaje se consiguen añadiendo celdas en serie. La intensidad de corriente deseada se consigue uniendo las celdas en paralelo.
La capacidad de la batería, definida como la cantidad de energía que puede almacenar, dependerá básicamente del tamaño de la misma. Su valor se expresa generalmente en amperios-hora, es decir, la cantidad de carga que es capaz de entregar hasta que se alcanza un voltaje de corte, de aproximadamente 2/3 del voltaje de carga completa. También es posible expresar la capacidad de la batería como la energía total que es capaz de entregar medida normalmente en vatios-hora (W∙ hr).
Otro parámetro importante de las baterías es la llamada “profundidad de descarga” o DoD (Depth of Discharge). La profundidad de descarga se define simplemente como el porcentaje respecto a la capacidad total de la batería que ha sido consumido durante la descarga de la misma.
Tipos de baterías
Tabla 2-2 Características de las baterías recargables de uso general.
Tipos de Baterías
NiCd NiMH Lead
Acid
Li-ion Li-ion polymer
Reusable Alkaline Densidad Gravimétrica de Energía
[Wh/kg]
45-80 60-120 30-50 110-160 130-200 80 (initial)
Resistencia interna (mΩ) 100 a 200 200 a 300 <100 150 a 250 200 a 300 200 a 2000 Ciclo de Vida (a 80% de su
capacidad inicial)
1500 300 a 500 200 a 300 500 a 1000 300 a 500 50 (a 50%)
Tiempo de Carga Rápida 1h típico 2 – 4 h 8 – 16 h 2 – 4 h 2 – 4 h 2 – 3 h
Tolerancia a la sobrecarga moderada baja alta Muy baja baja moderada
Auto-descarga mensual (a temperatura ambiente)
20 % 30 % 5 % 10 % ~10 % 0,3 %
Voltaje de Celda Nominal (V) 1,25 V 1,25 V 2,0 V 3,6 V 3,7 V 1,5 V
Corriente de Carga pico
recomendada
20 C 1 C
5 C < 0.5 C
5 C < 0.2 C
> 2 C < 1 C
> 2 C < 1 C
0.5 C < 0.2 C Temperatura de operación (solo
descarga)
-40 a 60°C -20 a 60°C
-20 a 60°C -20 a 60°C 0 a 60°C 0 a 65°C
Requerimientos de Mantenimiento 30 a 60 días 60 a 90 días
3 to 6 meses
no req. no req. no req.
Uso comercial desde: 1950 1990 1970 1991 1999 1992
Fuente: http://batteryuniversity.com/learn/article/secondary_batteries
Aunque existen numerosos tipos de baterías de aplicación comercial, tan sólo tres están cualificados para el uso en el sector espacial. Éstas son las baterías de: Níquel-Cadmio (NiCd), Níquel-Hidrógeno (NiH2) y especialmente las baterías de Ion-Litio (Li-ion).
Baterías de Níquel-Cadmio (Ni-Cd)
Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su reutilización. Sin embargo, su densidad de energía es de tan sólo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan poca capacidad. Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten más carga, aunque no la almacena. Admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento. Tienen como desventaja sufrir el llamado “efecto memoria”, por lo que van perdiendo capacidad tras repetidos ciclos con bajas DoD.
Baterías de Níquel-Hidruro Metálico (Ni-MH)
Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria. No admiten bien el frio extremo, reduciendo drásticamente la potencia eficaz que puede entregar. Voltaje proporcionado: 1,2 V Densidad de energía: 80 W/Kg Capacidad usual: 0,5 a 2,8 Amperios (en pilas tipo AA).
Un poco de historia. Las baterías de iones de litio (Li-ion) utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a altas densidades de capacidad de energía. No admiten descargas completas, y sufren mucho cuando éstas suceden por lo que suelen llevar acoplada circuitería adicional para conocer el estado de la batería, y evitar así tanto la carga excesiva, como la descarga completa. Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil. No admiten bien los cambios de temperatura.
Aunque las baterías de ion necesitan circuitos de protección para la seguridad y la tecnología Li-Ion es más cara que la mayoría de las otras baterías, aunque eso se viene reduciendo actualmente por su masiva utilización. Los altos ciclos de vida y su bajo mantenimiento reducen el costo por ciclo sobre muchos otros químicos.
Voltaje proporcionado:
- A plena carga: entre 4,2 V y 4,3 V dependiendo del fabricante - A carga nominal: entre 3,6 V y 3,7 V dependiendo del fabricante
- A baja carga: Entre 2,65 V y 2,75 V dependiendo del fabricante (este valor no es un límite, se recomienda).
Un poco de historia. El trabajo pionero de la batería de iones de litio lo empezó con G. N. Lewis en 1912, pero a principios de 1970 aparecieron las primeras baterías no recargables de litio y se pudieron adquirir comercialmente. Los esfuerzos por desarrollar baterías recargables de litio siguieron en la década de los ochentas, pero fallaron debido a problemas de seguridad. En la década de 1980, el químico estadounidense John B. Goodenough dirigió un equipo de investigación de Sony que produciría finalmente la batería de iones de litio, recargable y una versión más estable de la batería de litio (el litio puro reaccionaba violentamente al contacto con un medio acuoso). Las primeras unidades se vendieron en 1991. En estas baterías es importante controlar los procesos de carga y descarga, ya que por encima de 60 grados Celsius pueden explotar.
El cátodo suele ser un óxido de cobalto y litio, mientras que el ánodo se compone de carbono poroso. Este ánodo es bastante caro, por lo que se han estudiado alternativas con el níquel, el manganeso, o combinaciones de estos metales junto a iones aluminio o cromo.
En 1996, se lanzó al mercado la batería de polímero de ion de litio. Estas baterías alojan su electrolito en un polímero sólido compuesto en lugar de en un disolvente líquido, y los electrodos y los separadores se laminan entre sí. Esta última diferencia permite que la batería pueda quedar encerrada en una envoltura flexible en lugar de una carcasa metálica rígida, lo que significa que este tipo de baterías puede ser fabricado específicamente para adaptarse a un dispositivo en particular. También tienen una densidad de energía mayor que las baterías de iones de litio normal. Estas ventajas la han convertido en una batería de elección para los dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles y tabletas, ya que permiten un diseño más flexible y compacto.
particular, los altos ciclos útiles de trabajo en el espacio exterior; es precisamente por estas características que la batería de litio ion polímero son ampliamente usadas para dispositivos en el mundo de la tecnología de consumo actual.
Entre sus desventajas, están que se necesita un control para la temperatura, puesto que son muy sensibles a esta, y control para el inicio y terminación de carga.
2.3.2.3 Conversores o Convertidores DC-DC
La estructura o elemento básico del Módulo de Potencia es el conversor DC-DC que es el que va a permitir niveles de voltaje estables en la salida del conversor, lo cual es un requisito para el picosatélite. La forma y cantidad como se incorpora los conversores DC-DC al circuito del Módulo de Potencia depende la topología a utilizar en el picosatélite. Basándose en características como: la eficiencia energética, la robustez, la fiabilidad, la gestión de energía, los costos de implementación, las limitaciones de peso y espacio físico.
Un conversor es un circuito electrónico capaz de cambiar un nivel de voltaje a otro, mayor o menor (dependiendo del tipo de conversor). Esto se utiliza para proporcionar el voltaje correcto para los diferentes subsistemas del satélite.
Regulador Lineal:
Un regulador lineal es un regulador de tensión basado en un dispositivo activo (como un transistor de unión bipolar, transistor de efecto de campo o de tubo de vacío) que operan en su región "lineal” o dispositivos pasivos como diodos Zener operado en su región de descomposición. Figura 2-18
Un transistor (u otro dispositivo) se utiliza como un divisor de potencial para controlar la tensión de salida, y un circuito de realimentación compara la tensión de salida a un voltaje de referencia a fin de ajustar la entrada del transistor, lo que mantiene la tensión de salida razonablemente constante. Esto es ineficiente: dado que el transistor actúa como una resistencia, generando un desperdicio de energía eléctrica en forma de calor excesivo. De hecho, la pérdida de potencia debido al calentamiento en el transistor es el valor de la corriente multiplicado por la caída de tensión en el transistor.
Figura 2-18 Regulador Lineal (a) pasivo, (b) activo.
Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/10/Zener_diode_voltage_regulator.svg
Aunque existe un tipo de regulador lineal con mayor eficiencia y menor ruido denominado regulador LDO. Un regulador low-dropout o LDO es un regulador de voltaje lineal DC que puede regular el voltaje de salida incluso cuando el valor de voltaje de alimentación está muy cerca del valor del voltaje de salida, esto es por la baja caída en el regulador en sí. Las ventajas de un regulador LDO sobre otros reguladores DC-DC lineales y a los reguladores conmutados es que no tienen ruido por conmutación (ya que no tienen lugar interrupciones), el tamaño del dispositivo es más pequeño (ya que se necesitan ni grandes inductores ni ningún transformador), y una mayor simplicidad de diseño (por lo general consiste de una referencia, un amplificador, y un elemento de paso).Una desventaja significativa como lo es en todos los reguladores lineales, es que, a diferencia de los reguladores conmutados, deben disipar la energía a través del dispositivo de regulación para poder regular la tensión de salida.
Reguladores conmutados:
Los reguladores conmutados electrónicos DC-DC convierten un nivel de voltaje DC a otro nivel DC, mediante el almacenamiento temporal de la energía de entrada y luego liberando esta energía a la salida con una tensión diferente. El almacenamiento de energía puede ser en componentes de campo magnético (inductores, transformadores) o componentes de campo eléctrico (condensadores). Este método de conversión de energía es más eficiente (75 % a 98 %) que la regulación de voltaje lineal (que disipa energía en forma de calor no deseado). Esta eficiencia es benéfica al incrementar el tiempo de operación de dispositivos que utilizan baterías. La eficiencia se ha incrementado desde finales de 1980 debido a la utilización de FET de potencia, que son capaces de conmutar a una más alta frecuencia que los transistores bipolares, que tienen más pérdidas de conmutación y requieren de circuitos de control más complejos.
Entre las desventajas de los conversores de conmutación se incluyen la complejidad, el ruido electrónico (EMI / RFI) y, en cierta medida los costos, aunque esto se ha reducido con los avances en el diseño de circuitos altamente integrados. Los conversores DC-DC ya están disponibles como circuitos integrados que necesitan un mínimo de componentes adicionales.
Reguladores Conmutados de Almacenamiento Capacitivo (Charge Pump). “Charge Pump” es un tipo de conversor dc a dc que utiliza condensadores como elementos de almacenamiento de energía para crear ya sea una fuente de mayor o menor tensión. Estos circuitos son capaces de altas eficiencias, a veces tan alto como 90-95 %, mientras que eléctricamente son circuitos sencillos de implementar.
Implementar este tipo de conversores es menos costoso que los conversores conmutados inductivos. Además no emiten interferencia electromagnética. El rizado del voltaje de salida es más alto, por esto se utiliza un condensador de salida para suavizarlo.
Figura 2-19 Charge Pump funcionamiento.
Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Charge_pump
Reguladores Conmutados de Almacenamiento Magnético
En estos conversores DC-DC, la energía es almacenada periódicamente en un inductor o un transformador, y liberada luego desde un campo magnético. Por lo general el rango de operación va de 300 kHz a 10 MHz. Al ajustar el ciclo de trabajo de la tensión de carga (es decir, la proporción de encendido /apagado), la cantidad de energía transferida puede ser controlada. Por lo general, esto se hace para controlar la tensión de salida, aunque podría hacerse para controlar la corriente de entrada, la corriente de salida, o mantener una potencia constante. Los conversores basados en transformadores pueden proporcionar un aislamiento entre la entrada y la salida. Los circuitos conmutados DC-DC son el corazón de las fuentes de alimentación conmutadas. Existen muchas topologías. En general, el término "conversor conmutado DC-DC" se refiere a uno de los conversores más comunes consignados en la tabla 2-3.
Tabla 2-3 Topologías resumidas de reguladores conmutados con elementos magnéticos.
Forward Flyback
La potencia va de la entrada, a través del elemento magnético y a la carga simultáneamente.
La potencia de la entrada se almacena en el elemento magnético para más tarde ser liberada hacia la carga.
Sin
transformador
Reductor (buck) – el voltaje de salida es más bajo que el voltaje de entrada, y de la misma polaridad.
No inversor: el voltaje de salida es de la misma polaridad que el voltaje de entrada.
Elevador (boost) – el voltaje de salida es más alto que el voltaje de entrada.
Sepic – el voltaje de salida puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada.
Inversor: el voltaje de salida es de polaridad opuesta al de entrada.
Inversor (buck-boost)
ćuk – la corriente de salida es continua.
Buck-boost - el voltaje de salida puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada con la misma polaridad
Con
transformador Medio puente conmutación. - 2 transistores en
Puente completo - 4 transistores en conmutación.
Flyback - 1 o 2 transistores en conmutación.
Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/DC-to-DC_converter.
Además, cada topología puede ser de dos tipos:
Conmutación forzada – Los transistores conmutan rápidamente, mientras que son expuestos a pleno voltaje y a plena corriente.
Resonante – Un circuito LC da forma a la tensión en el transistor y la corriente a través de él, de modo que el transistor conmuta cuando la tensión o la corriente es cero.
Los reguladores conmutados DC-DC con elementos magnéticos pueden funcionar en dos modos, de acuerdo con la corriente en su principal elemento magnético (inductor o transformador):
Continuo – La corriente fluctúa, pero nunca baja a cero.
Discontinuo – La corriente fluctúa durante el ciclo, y desciende hasta cero en o antes del final de cada ciclo.
Un conversor puede ser diseñado para operar en modo continuo a alta potencia y en modo discontinuo a baja potencia.
Las tres topologías básicas de fuente de alimentación conmutada de uso común en pequeños satélites son el buck, boost y buck-boost. Estas topologías son no aisladas, es decir, las tensiones de entrada y de salida comparten una tierra común. La topología de la fuente de alimentación se refiere a cómo los interruptores, el inductor y el condensador de salida están conectados. Cada topología tiene propiedades únicas, incluyendo las relaciones de estado estable de conversión de voltaje, la naturaleza de las corrientes de entrada y salida, y el carácter del rizado de la tensión de salida.
Convertidor Elevador (Boost).
Figura 2-20 Convertidor elevador (Boost). Fuente: http://www.ti.com/lit/an/slva061/slva061.pdf
Para realizar el análisis de funcionamiento del circuito mostrado en la figura 2-20 se asume lo siguiente:
El circuito opera en régimen permanente.
El periodo de conmutación es T y el interruptor está cerrado por un tiempo DT y está abierto el resto del tiempo (1 – D)*T.
La corriente en la bobina es permanente (siempre positiva).
El capacitor es muy grande, por lo que la tensión de salida se mantiene constante. Los componentes son ideales.
Como se mencionó anteriormente los conversores conmutados se basan en la activación y desactivación del interruptor con lo cual se generan dos circuitos, uno cuando el interruptor está activado y otro cuando el interruptor está desactivado como se puede observar en la figura 2-21.
Figura 2-21 Funcionamiento de Conversor Boost. Fuente: http://www.ti.com/lit/an/slva061/slva061.pdf
Esta variación se calcula usando la ecuación siguiente:
(∆𝑖
𝐿
)
𝑐𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜
=
𝑉
𝐼
× 𝐷 × 𝑇
𝐿
( 3 )Cuando el interruptor está abierto, el diodo se polariza en directa (ya que la corriente en la bobina no puede variar en forma instantánea) y proporciona un camino a la corriente de la bobina.
La variación de la corriente en la bobina es constante, por ello la corriente debe variar linealmente cuando el interruptor está abierto, esta variación en la corriente de la bobina con el interruptor abierto está dada por:
(∆𝑖
𝐿
)
𝑎𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜
=
(𝑉
𝐼
− 𝑉
𝑂
)(1 − 𝐷)𝑇
𝐿
( 4 )Igualando estas ecuaciones se obtiene la ecuación para el voltaje de salida:
