Subsistema de Suprimento de Energia

     

1. Introdução

O Subsistema de Suprimento de Energia – SSE do ITASAT-01 deve fornecer potência elétrica adequada para todos os componentes ativos que compõem os outros subsistemas do satélite de forma que estes possam operar adequadamente durante sua órbita. Neste sentido, o SSE se torna um dos principais subsistemas que integra o ITASAT-01 e por isso deve possuir uma alta confiabilidade durante o tempo de missão, uma vez que qualquer falha neste subsistema pode ser catastrófica colocando em risco a missão e o objetivo do projeto.      

2. Descrição

A Figura 1 mostra um diagrama de blocos com os principais componentes do SSE do ITASAT-01.

 

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Figura 1 - Subsistema de suprimento de energia

 

2.1.   Função

O SSE é responsável por gerar, armazenar e gerenciar a distribuição de energia elétrica para todos os equipamentos que integram o satélite de forma a prover o nível de potência adequado para operação dos diversos modos do satélite durante sua missão.

2.2.   Principais componentes

O SSE, conforme pode ser observado na Figura 1, é composto dos seguintes componentes: um conjunto de painéis solares, um sistema de armazenamento de energia e um sistema de gerenciamento de potência elétrica denominado de PCDU (Power Control and Unit).

2.2.1.      Painéis solares

As células solares são consideradas como fonte primária de fornecimento de energia para o ITASAT-01, tendo em vista que esta é a principal fonte de energia do satélite. As céluas solares utilizam o efeito fotovoltaico de forma a converter a incidência de fótons provenientes do sol na superfície do seu semicondutor em tensão elétrica. Neste sentido, sua função é fornecer energia elétrica ao satélite durante o período de órbita quando há incidência dos raios solares sobre a superfície das células de forma a carregar a bateria e manter operacionais os outros subsistemas. Tendo em vista a necessidade de potência, as células são montadas de maneira a constituir um painel solar. No caso do ITASAT-01, os painéis solares são fixados diretamente na estrutura 6U do satélite e possuem sensores que medem temperatura e intensidade de potência sobre o painel. A Figura 2 ilustra o projeto de montagem dos paineis solares na estrutura 6U do ITASAT-01.

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Figura 2 – Projeto de instalação dos paineis solares na estrutura 6U do ITASAT-01

 

2.2.2.      Armazenamento de energia

Tendo em vista a manutenção dos modos de operação do satélite no tempo de eclipse, assim como o suprimento de energia elétrica durante os picos de consumo diurnos dos subsistemas, o ITASAT-01 possui um banco de baterias como fonte de energia secundária. Desta forma, a energia elétrica excedente, gerada pelos painéis solares durante o tempo em que há incidência de raios solares sobre a superfície das células, é armazenada em um banco de baterias a fim de que o satélite tenha autonomia de operação quando não há incidência direta de luz sobre os paineis.

2.2.3.      Gerenciamento de potência elétrico

O sistema de gerenciamento de potência elétrico – PCDU - é a interface elétrica que deve garantir a ligação elétrica adequada e confiável entre as fontes de energia, primária e secundária, e os demais subsistemas do satélite. Além de ser utilizada como interface, a PCDU deve possuir sistema de proteção elétrico para as cargas e possuir sensores de avaliação de potência consumida pelos equipamentos ativos de forma a prover com eficiência o acionamento e a recarga das baterias durante a órbita.      

3. Etapas do projeto

O projeto ITASAT-01 é dividido nas seguintes etapas:

3.1.   Budget de potência elétrica

O objetivo do Budget é avaliar o balanço entre a capacidade de geração de energia elétrica do satélite e a potência consumida nos diversos modos de operação. Esta etapa do projeto deve garantir que o satélite cumpra todas as suas missões com sucesso. Restrições e modos alternativos de operação são eventualmente adicionados de forma a garantir um bom balanço de potência. Os cálculos são mostrados a seguir.

3.1.1.      Dados de órbita

Os dados de órbita do satélite foram mensurados a partir de uma simulação no software STK e são mostrados na Tabela 1. A Tabela 2 mostra as considerações utilizadas na simulação.

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Tabela 1 - Dados de órbita para 450 km

 

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Tabela 2 - Considerações utilizadas no modelo

 

3.1.2.      Potência consumida dos principais equipamentos do ITASAT-01

A tabela 03 refere-se a potência requerida pelos equipamentos e sensores ativos para um funcionamento adequado e apresenta o consumo de potência médio e máximo.

 

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Tabela 3 - Considerações utilizadas no modelo

 

3.1.3.      Modos de operação

A Tabela 4 apresenta os diversos modos de operação do ITASAT-01 considerando os dados de análise de missão e consumo de potência dos diversos sensores embarcados.

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Tabela 4 - Possíveis modos de operação do ITASAT-01

 

3.1.4.      Perfil de consumo

O modelo de cálculo do perfil de consumo relaciona diretamente cada um dos modos apresentados na Tabela 4 e os tempos de órbita, eclipse e dia. Este trabalho considera o pior caso de órbita do satélite em que a maior tempo de eclipse uma vez que será necessário maior utilização do sistema de energia secundário. De forma a exemplificar, será mostrado o perfil de consumo para o modo de operação com GPS, conforme ilustram as Figuras 3 e 4.

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Figura 3 - Perfil de consumo de cada um dos equipamentos do ITASAT-01 no modo operacional utilizando o GPS

 

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Figura 4 - Perfil de consumo do ITASAT-01 no modo operacional utilizando o GPS

 

3.1.5.      Potência necessária para atender o perfil de consumo

Cada modo de operação do ITASAT-01 possui um perfil de consumo diferente. Utilizando como referência o modelo de dimensionamento apresentado no livro Space Mission Analysis and Design, pode-se calcular a demanda de potência necessária por órbita para cada um dos modos de operação. De forma a exemplificar, a Figura 5 apresenta o modelo aplicado ao perfil de consumo apresentado na Figura 4.

 

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Figura 5 - Potência necessária a ser gerada para o satélite operar no modo operacional com GPS

 

3.1.6.      Potência gerado pelo painel solar 6U

De forma a exemplificar, as considerações e os resultados dos cálculos são apresentados a seguir.

 

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E finalmente, o Budget de potência para o modo operacional utilizando o GPS é:

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Agora, considerando os demais modos, têm-se:

 

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(Clique para expandir)

 

3.2.   Distribuição de carga elétrica e diagrama de conexão

Esta etapa está em fase de estudo e elaboração. Pretende-se elaborar um projeto que melhor atenda a distribuição de carga pela PCDU e que permita os modos de operação do satélite.

3.3.   Simulação e cálculo de carga/descarga da bateria

Esta etapa está em fase de estudo e elaboração. Pretende-se simular o acionamento das baterias e traçar o perfil de carga/descarga da mesma de forma que a missão não seja comprometida e que o satélite possa operar com todos os módos projetados.