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Gestione Energetica per AtmoCube M. De Din Introduzione AtmoCube Energia Progetto Orbita PV Panels MPPT Il prototipo Conclusioni Progetto Preliminare di un Sistema di Gestione Energetica per il Satellite AtmoCube Tesi di Laurea Triennale in Ing. Elettronica Applicata M. De Din 06/12/2005
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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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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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Il prototipo
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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
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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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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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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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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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Progetto di un Sistema di AlimentazioneBudget Energia Disponibile
45[Wh] · 3600[s] = 162[kJ]⇒ PMEDIA ≈ 1.88[W ]
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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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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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Progetto di un Sistema di AlimentazioneSistema di inseguimento (tracking)
Basato su algoritmo Perturb & Observe (P&O).
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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 (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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