GestioneEnergetica per

AtmoCube

M. De Din

IntroduzioneAtmoCube

Energia

ProgettoOrbita

PV Panels

MPPT

Il prototipo

Conclusioni

Progetto Preliminare di un Sistema diGestione Energetica per il Satellite

AtmoCubeTesi di Laurea Triennale in Ing. Elettronica Applicata

M. De Din

06/12/2005

GestioneEnergetica per

AtmoCube

M. De Din

IntroduzioneAtmoCube

Energia

ProgettoOrbita

PV Panels

MPPT

Il prototipo

Conclusioni

Sommario

1 IntroduzioneAtmoCube: Motivazioni ScientificheSistema di Alimentazione

2 Fase di ProgettoSimulazione OrbitalePannelli fotovoltaiciMaximum Power Point TrackingRealizzazione sperimentale

3 Conclusioni

GestioneEnergetica per

AtmoCube

M. De Din

IntroduzioneAtmoCube

Energia

ProgettoOrbita

PV Panels

MPPT

Il prototipo

Conclusioni

COS’E’ ATMOCUBE?

AtmoCube è un nanosatellite della famiglia CubeSat.

E’ destinato ad eseguire misure di Space Wheather.

Realizzato in collaborazione con il Dipartimento diFisica dell’Università di Trieste.

Stato di avanzamento dei lavori: progettazione deisottosistemi elettronici.

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Conclusioni

COS’E’ ATMOCUBE?

AtmoCube è un nanosatellite della famiglia CubeSat.

E’ destinato ad eseguire misure di Space Wheather.

Realizzato in collaborazione con il Dipartimento diFisica dell’Università di Trieste.

Stato di avanzamento dei lavori: progettazione deisottosistemi elettronici.

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Il prototipo

Conclusioni

COS’E’ ATMOCUBE?

AtmoCube è un nanosatellite della famiglia CubeSat.

E’ destinato ad eseguire misure di Space Wheather.

Realizzato in collaborazione con il Dipartimento diFisica dell’Università di Trieste.

Stato di avanzamento dei lavori: progettazione deisottosistemi elettronici.

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Conclusioni

COS’E’ ATMOCUBE?

AtmoCube è un nanosatellite della famiglia CubeSat.

E’ destinato ad eseguire misure di Space Wheather.

Realizzato in collaborazione con il Dipartimento diFisica dell’Università di Trieste.

Stato di avanzamento dei lavori: progettazione deisottosistemi elettronici.

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Il prototipo

Conclusioni

Considerazioni PreliminariProblemi con cui confrontarsi

Alimentare carichi funzionanti a 3.3V, 5V e 12V(nominali).

Uso di pannelli fotovoltaici:Potenza disponibile non ben nota.Pannelli già acquisiti, ma pochi dati in possesso ⇒modello non accurato.Carico non lineare - tempo variante ⇒ necessarioMPPT per adattamento di impedenza dinamico.

Massimizzazione del Rendimento complessivo:Potenza dal Sole disponibile in quantità finita (superficiesatellite finita).Riduzione della potenza dissipata ⇒ contenimentodella temperatura.La durata della missione non deve, per quantopossibile, dipendere dal sistema di alimentazione.

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Conclusioni

Considerazioni PreliminariProblemi con cui confrontarsi

Alimentare carichi funzionanti a 3.3V, 5V e 12V(nominali).Uso di pannelli fotovoltaici:

Potenza disponibile non ben nota.Pannelli già acquisiti, ma pochi dati in possesso ⇒modello non accurato.Carico non lineare - tempo variante ⇒ necessarioMPPT per adattamento di impedenza dinamico.

Massimizzazione del Rendimento complessivo:Potenza dal Sole disponibile in quantità finita (superficiesatellite finita).Riduzione della potenza dissipata ⇒ contenimentodella temperatura.La durata della missione non deve, per quantopossibile, dipendere dal sistema di alimentazione.

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Conclusioni

Considerazioni PreliminariProblemi con cui confrontarsi

Alimentare carichi funzionanti a 3.3V, 5V e 12V(nominali).Uso di pannelli fotovoltaici:

Potenza disponibile non ben nota.Pannelli già acquisiti, ma pochi dati in possesso ⇒modello non accurato.Carico non lineare - tempo variante ⇒ necessarioMPPT per adattamento di impedenza dinamico.

Massimizzazione del Rendimento complessivo:Potenza dal Sole disponibile in quantità finita (superficiesatellite finita).Riduzione della potenza dissipata ⇒ contenimentodella temperatura.La durata della missione non deve, per quantopossibile, dipendere dal sistema di alimentazione.

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneSimulazione Orbitale

Simulazione dell’orbita dal 5/12/2005 al 5/12/2006, ottenutacon STK (Analitical Graphics).

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneSimulazione Orbitale

Risultato finale della simulazione: potenza disponibilenell’arco di un anno . Alcune constatazioni:

1 Andamento periodico (periodo di 6 mesi circa).

2 L’energia convertita in una giornata è pari ad almeno45Wh.

3 Esiste un periodo di circa 40gg. ogni 6 mesi in cui ilsatellite è perennemente illuminato.

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Progetto di un Sistema di AlimentazioneSimulazione Orbitale

Risultato finale della simulazione: potenza disponibilenell’arco di un anno . Alcune constatazioni:

1 Andamento periodico (periodo di 6 mesi circa).

2 L’energia convertita in una giornata è pari ad almeno45Wh.

3 Esiste un periodo di circa 40gg. ogni 6 mesi in cui ilsatellite è perennemente illuminato.

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneSimulazione Orbitale

Risultato finale della simulazione: potenza disponibilenell’arco di un anno . Alcune constatazioni:

1 Andamento periodico (periodo di 6 mesi circa).

2 L’energia convertita in una giornata è pari ad almeno45Wh.

3 Esiste un periodo di circa 40gg. ogni 6 mesi in cui ilsatellite è perennemente illuminato.

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneSimulazione Orbitale

Risultato finale della simulazione: potenza disponibilenell’arco di un anno . Alcune constatazioni:

1 Andamento periodico (periodo di 6 mesi circa).

2 L’energia convertita in una giornata è pari ad almeno45Wh.

3 Esiste un periodo di circa 40gg. ogni 6 mesi in cui ilsatellite è perennemente illuminato.

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneBudget Energia Disponibile

45[Wh] · 3600[s] = 162[kJ]⇒ PMEDIA ≈ 1.88[W ]

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneLe caratteristiche di un pannello fotovoltaico

Caratteristica non lineare; si distiguono 2 zone difunzionamento: generatore di corrente e di tensione.Esiste un punto di massima potenza; condizione diadattamento del carico dipende anche da illuminazionee temperatura.Parametri importanti: corrente di cortocircuito (Isc),tensione di circuito aperto (Voc), corrente e tensione nelpunto di massima potenza (Imp e Vmp), fattore di forma(FF ).

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneCaratteristica V-I pannelli Tecstar

Vmp = 2.3V Imp = 344mA Voc = 2.42V Isc = 355mAPmax = 3Vmp Imp ≈ 2.7W per una faccia;

nelle migliori condizioni, 3 facce illuminate eP =

√3 Pmax ≈ 4.7W (in eccesso rispetto a simulazione).

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneCollegamento elettrico dei pannelli

Pannelli solari diversamente illuminati lavorano in puntidifferenti della caratteristica V-I.E’ opportuno collegare in serie i pannelli collocati suuna stessa faccia.Soluzione finale di compromesso: collegamento dellevarie facce in parallelo.

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazionePerché un MPPT? ed il convertitore di tensione?

Rendimento di un pannello solare di per sé basso(23%) e calcolato in corrispondenza del MPP.

Il carico varia l’assorbimento nel tempo → necessarioassicurare massimo trasferimento di potenza inqualsiasi condizione.

Tensione Vmp varia da 0 a 6V ⇒ collegamento diretto alcarico non possibile (si vuole estrarre energia inqualsiasi condizione di illuminazione, anche minima).

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazionePerché un MPPT? ed il convertitore di tensione?

Rendimento di un pannello solare di per sé basso(23%) e calcolato in corrispondenza del MPP.

Il carico varia l’assorbimento nel tempo → necessarioassicurare massimo trasferimento di potenza inqualsiasi condizione.

Tensione Vmp varia da 0 a 6V ⇒ collegamento diretto alcarico non possibile (si vuole estrarre energia inqualsiasi condizione di illuminazione, anche minima).

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Il prototipo

Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazionePerché un MPPT? ed il convertitore di tensione?

Rendimento di un pannello solare di per sé basso(23%) e calcolato in corrispondenza del MPP.

Il carico varia l’assorbimento nel tempo → necessarioassicurare massimo trasferimento di potenza inqualsiasi condizione.

Tensione Vmp varia da 0 a 6V ⇒ collegamento diretto alcarico non possibile (si vuole estrarre energia inqualsiasi condizione di illuminazione, anche minima).

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneSistema di inseguimento (tracking)

Basato su algoritmo Perturb & Observe (P&O).

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneIl convertitore DC-DC

L’algoritmo di tracking è eseguito da un µC che pilota unconvertitore DC-DC elevatore di tensione (boost).

Vout = 11−D Vin

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Conclusioni

Progetto di un Sistema di AlimentazioneMaximum Power Point Tracker

Necessario misurare tensione e corrente provenientidai pannelli (uso di 2+2 canali A/D).

Pilotaggio tramite segnale PWM di uno stadio dipotenza (convertitore DC–DC boost).

Al loop di controllo del punto di lavoro dei pannellioccorre aggiungerne un secondo per regolare latensione d’uscita (protezione degli accumulatori).

È conveniente possedere anche il valore della correntedi batteria, da inviare a Terra assieme ad altri dati ditelemetria.

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Conclusioni

Il convertitore MPPT in praticaRealizzazione Sperimentale

Montaggio del circuito di potenza.

Pilotaggio del transistor MOSFET mediante µCPIC16F877 montato su scheda dimostrativa MicrochipPICDEM2 Plus.

Verifica del funzionamento dell’algoritmo diinseguimento (con variazione manuale della correnteproveniente dai pannelli solari).

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Conclusioni

Conclusioni (1)Cosa è stato fatto

1 Simulazione orbitale → limite superiore per l’energiadisponibile dal Sole.

2 Studio delle varie tecniche di collegamento e controllodei pannelli fotovoltaici.

3 Individuazione della disposizione ottima dei pannelli erelative connessioni elettriche.

4 Impostazione dei vincoli sul numero di accumulatori esul tipo di convertitore da abbinare all’algoritmo MPPT.

5 Progetto del convertitore DC-DC e del SW di controllo;verifica sperimentale.

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Conclusioni

Conclusioni (1)Cosa è stato fatto

1 Simulazione orbitale → limite superiore per l’energiadisponibile dal Sole.

2 Studio delle varie tecniche di collegamento e controllodei pannelli fotovoltaici.

3 Individuazione della disposizione ottima dei pannelli erelative connessioni elettriche.

4 Impostazione dei vincoli sul numero di accumulatori esul tipo di convertitore da abbinare all’algoritmo MPPT.

5 Progetto del convertitore DC-DC e del SW di controllo;verifica sperimentale.

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Conclusioni

Conclusioni (1)Cosa è stato fatto

1 Simulazione orbitale → limite superiore per l’energiadisponibile dal Sole.

2 Studio delle varie tecniche di collegamento e controllodei pannelli fotovoltaici.

3 Individuazione della disposizione ottima dei pannelli erelative connessioni elettriche.

4 Impostazione dei vincoli sul numero di accumulatori esul tipo di convertitore da abbinare all’algoritmo MPPT.

5 Progetto del convertitore DC-DC e del SW di controllo;verifica sperimentale.

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Conclusioni

Conclusioni (1)Cosa è stato fatto

1 Simulazione orbitale → limite superiore per l’energiadisponibile dal Sole.

2 Studio delle varie tecniche di collegamento e controllodei pannelli fotovoltaici.

3 Individuazione della disposizione ottima dei pannelli erelative connessioni elettriche.

4 Impostazione dei vincoli sul numero di accumulatori esul tipo di convertitore da abbinare all’algoritmo MPPT.

5 Progetto del convertitore DC-DC e del SW di controllo;verifica sperimentale.

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Conclusioni

Conclusioni (1)Cosa è stato fatto

1 Simulazione orbitale → limite superiore per l’energiadisponibile dal Sole.

2 Studio delle varie tecniche di collegamento e controllodei pannelli fotovoltaici.

3 Individuazione della disposizione ottima dei pannelli erelative connessioni elettriche.

4 Impostazione dei vincoli sul numero di accumulatori esul tipo di convertitore da abbinare all’algoritmo MPPT.

5 Progetto del convertitore DC-DC e del SW di controllo;verifica sperimentale.

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Conclusioni (2)Problemi in sospeso...

Verifica del funzionamento globale (IC dicurrent-sensing ricevuti tardivamente).

Inserimento e collaudo di due convertitori step-down avalle della batteria (per ricavare le tensioni di 3.3V e5V).

Progetto del sistema termico: valutazione (realistica)del range di temperatura cui AtmoCube è sottoposto,sonde di temperatura per pannelli solari, celle Li-Ion ele parti maggiormente sottoposte a stress termico (es:transistor finale RF del TX). Curare la disposizione deivari componenti onde favorire la distribuzione uniformedel calore.

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