Το υποσύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας είναι ένα από τα θεμελιώδη υποσυστήματα, τα οποία απαρτίζουν τον Νανο Δορυφόρο μας. Το υποσύστημα μας είναι υπεύθυνο για ποικίλες λειτουργίες, οι οποιες μπορουν να κατηγοριοποιηθουν στους παρακάτω εξής τομείς: Συλλογή της Ηλιακής Ενέργειας, Μετασχηματισμός, Αποθήκευση και Διανομή της Ηλεκτρικής Ενέργειας, Γενικές Λειτουργίες και Προστασία RF Παρεμβολών.

Συλλογή Ηλιακής Ενέργειας

Με τη χρήση Ηλιακών Συστοιχιών τεχνολογίας Τριπλής Ζεύξης Γαλλίου Αρσενικού (GaAs), συλλέγουμε την ηλιακή ενέργεια απευθείας από τον ήλιο, την μετατρέπουμε σε ηλεκτρική και τη χρησιμοποιούμε για την τροφοδοσία του Νανο Δορυφόρου.

Οι ηλιακές συστοιχίες που χρησιμοποιούμε, έχουν αποδοτικότητα της τάξης του 29.5%, υψηλή αντίσταση στην ακτινοβολία, μπορούν να φτάσουν σε μέγιστη τιμή ισχύος εξόδου 25.29W με ονομαστική τιμή τάσης 16,31V και τιμή ονομαστικού ρεύματος της τάξης των 519mA. Κάθε ηλιακή συστοιχία αποτελείται από 6  “κελιά” με πολύ χαμηλή μάζα και είναι εξοπλισμένη με αισθητήρες θερμοκρασίας και ηλίου.

Οι συστοιχίες αυτές έρχονται με την εξής συγκεκριμένη διαμόρφωση

  • 3 Μονάδες Ηλιακών Συλλεκτών στις 3 πλήρως διαθέσιμες πλευρές (100 x 300 mm)
  • 2 Μονάδες Ηλιακών Συλλεκτών στην πλευρά που είναι εφοδιασμένη με την patch κεραία  (100 x 200 mm)
  • Μια μονάδα Ηλιακών Συλλεκτών στον Ζ άξονα της επιφάνειας του Νανο Δορυφόρου (100 x 100 mm)



Αποθήκευση Ηλεκτρικής Ενέργειας

Ενώ χρησιμοποιούμε την ηλεκτρική ενέργεια η οποία μας παρέχεται από τον ήλιο, όταν έχουμε οπτική επαφή, μέσω των ηλιακών συλλεκτών, στην έκλειψη κατά τη διάρκεια της κάθε τροχιάς έχουμε τη ανάγκη για εύρεση πηγής ενέργειας. Αυτο επιτυγχάνεται μέσω μιας συσκευασίας τεσσάρων ανεξάρτητων επαναφορτιζόμενων μπαταριών Ιόντων Λιθίου 18650 με συνολική χωρητικότητα 5.2 Ah στα 38.5Wh. Επιπλέον, η διαμόρφωση της συσκευασίας είναι μια διάταξη δύο μπαταριών σε σειρά και δύο παράλληλα, με τάση λειτουργίας της κάθε μπαταρίας στα 3.7V και συνολική τάση κυμαινόμενη απο 6V μέχρι 8.4V. Επιπλέον, η συσκευασία προστατεύεται από ανεπιθύμητα θερμικά φαινόμενα μέσω της συνεχούς παρακολούθησης της θερμοκρασίας και της χρήσης ενσωματωμένων θερμαντήρων. Για να αποφευχθεί η καταστροφή της μπαταρίας, έχουμε σχεδιάσει μια προστασία  τόσο για υπέρταση όσο και για υπόταση μέσω ενός αναλογικού κυκλώματος διακοπής της τάσης κατασκευασμένο από συγκριτές.

Κύκλωμα Φόρτισης Μπαταριών

Όσον αφορά το κύκλωμα φόρτισης των μπαταριών, έχουμε επιλέξει να χρησιμοποιήσουμε το ολοκληρωμένο  κύκλωμα IC LT3652, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο ως φορτιστής όσο και για την υλοποίηση υλικού MPPT. Επιπλέον, η ταυτόχρονη φόρτιση και εκφόρτιση αποφεύγεται μέσω της χρήσης δύο διόδων, μία που θα επιτρέψει τη ροή ρεύματος τόσο στο κύκλωμα φόρτισης των μπαταριών όσο και στο υπόλοιπο δορυφόρο κατα την περίοδο που θα έχουμε οπτική επαφή με τον ήλιο και μια άλλη που θα επιτρέψει τη ροή ρεύματος από την συσκευασία των μπαταριών στα υποσυστήματα όταν βρισκόμαστε σε έκλειψη.

Μετασχηματισμός και Διανομή την Ενέργειας

Η Ηλιακή Ενέργεια η οποία έχει συλλεχθεί και μετασχηματιστεί σε ηλεκτρική διανέμεται στα υπόλοιπα υποσυστήματα μέσω των σταθερών ανεξάρτητων καναλιών τάσης 3.3V, 5V και 12V με τη χρήση των πιστοποιημένων για χρήση στο διάστημα, κλιμακωτών μετατροπέων  υποβιβασμού τάσης IC TPS54339. Για την παρακολούθηση της κατανάλωσης της τάσης, του ρεύματος και της συνολικής ισχύος (και συνεπώς για τον υπολογισμό του ρυθμού εκφόρτισης των μπαταριών) στο κάθε υποσύστημα, έχουμε τοποθετήσει αισθητήρες ρεύματος σε κάθε κανάλι τάσης.

Γενικές Λειτουργίες

Για την επιτυχημένη ανάπτυξη των κεραιών μετά από ένα ακριβές χρονικό διάστημα 30 λεπτών από τη στιγμή έναρξης του Νανο Δορυφόρου, υπάρχει η ανάγκη σχεδίασης ενός κυκλώματος χρονιστή υψηλής ακρίβειας, χρησιμοποιώντας κυρίως ψηφιακές πύλες μαζί με μερικούς συγχρονισμένους δυαδικούς μετρητές 4-bit.

Επιπλέον, εάν ένα υποσύστημα απαιτήσει δυσανάλογη ποσότητα ισχύος που θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο την αποστολή ή να προκαλέσει την είσοδο του δορυφόρου σε ασφαλή λειτουργία, τότε γίνεται επαναφορά του αντίστοιχου υποσυστήματος ή τερματίζεται προσωρινά, μέσω ενός διακόπτη MOSFET που ελέγχεται από τον μικροελεγκτή του υποσυστήματος μας.  Γιά την ανίχνευση αυτή λοιπόν, έχουμε επιλέξει τους αισθητήρες ρεύματος INA139, λόγω της χαμηλής ζήτησης ισχύος τους (60 uA στα 3.3V) και του γεγονότος ότι έχουν επίσης πιστοποιηθεί για πτήση.

EPSBoard
Πλακέτα του υποσυστήματος

Προστασία RF Παρεμβολών

Δεδομένου ότι οι Ηλιακοί Συλλέκτες λειτουργούν ως κεραίες λήψης στις συχνότητες των ραδιοκυμάτων, είναι απαραίτητο να φιλτράρουμε την τάση εισόδου προκειμένου να αποφευχθούν τυχόν παρεμβολές στο υποσύστημα των επικοινωνιών. Ένα άλλο πιθανό ζήτημα λόγω των παρεμβολών είναι η λανθασμένη πρόσθεση του σήματος παρεμβολής στην συνιστώσα της συνεχούς τάσης εισόδου του κάθε υποσυστήματος το οποίο θα είχε ώς αποτέλεσμα την λανθασμένη αύξηση του ρεύματος ή την καταστροφή δεδομένων στα ολοκληρωμένα κυκλώματα μνήμης.